ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO BAJO CONDICIONES DE FATIGA DE UN ACERO AISI 1045 ENDURECIDO SUPERFICIALMENTE POR DIFUSION DE BORO

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ESIME ZACATENCO

“ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO BAJO

CONDICIONES DE FATIGA DE UN ACERO AISI 1045

CONDICIONES DE FATIGA DE UN ACERO AISI 1045

ENDURECIDO SUPERFICIALMENTE POR DIFUSION DE

BORO”

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EN INGENIERÍA MECÁNICA

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M. EN C. GERMAN ANIBAL RODRÍGUEZ CASTRO

DIRIGIDA POR: DR. JOSÉ MARTÍNEZ TRINIDAD

DR. ULISES FIGUEROA LÓPEZ

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VESTIGAC

Dedicatorias

A mi hijo Tadeo por generar en

mí una forma diferente de ver la

vida con amor y fe.

A mi esposa Celia por su apoyo

y su amor.

A mis padres Fernando y Elena por el apoyo incondicional,

el amor y su ejemplo de excelentes seres humanos.

Agradecimientos

A DIOS por ponerme en este camino y cuidarme.

Al CONACYT, a la SEPI del IPN ESIME Zacatenco, al ITESM CEM, por abrirme las puertas y proporcionarme los recursos para

realizar el Doctorado.

Al Dr. José Martínez y Dr. Iván Campos por la confianza que desde el principio me brindaron para trabajar con ellos y su amistad.

Al Dr. Ulises Figueroa por su invaluable dirección y calidez humana.

Al Dr. Orlando Susarrey H. por su confianza y apoyo para la realización del doctorado.

Al Dr. José Solís por su motivación y confianza.

Al Dr. Didier Samoyoa por su confianza y apoyo

A Alfonso y Oscar quienes me han demostrado una amistad sincera durante estos años. A todos mis amigos y compañeros por su amistad que de diferentes formas estuvieron presentes en estos años.

A Alejandro, Valencia, Abel, Martín, Victor quienes me han apoyado durante estos años y considero grandes amigos.

German Anibal Rodríguez castro

TABLA DE CONTENIDO

Glosario de símbolos……….….

Índice de figuras ……….………

Índice de Tablas……….….….

Resumen……….……….

Abstract..……….……….

Antecedentes…………..……….………..…….

Justificación.……….….….…………..………….……

Objetivos……….………..…..

Estructura del trabajo..………….……….

CAPITULO 1

.

Introducción

………..………..……

1.1

_{Endurecimiento superficial…….………..………….……..}

1.2

_{La borurización. …….………..……….………..……….}

1.2.1

_{Importancia de la borurización…………..……….……….………}

1.2.2

_{Aplicaciones de la borurización………}

1.3

_{Fenómeno de fatiga en aceros endurecidos superficialmente………}

CAPITULO 2. Marco Teórico

………

2.1

_{Introducción……….………..}

2.2

_{Caracterización de aceros borurizados……….}

2.3

_{Vida a fatiga de aceros borurizados………..}

2.4

_{Fatiga de metales………}

2.5

_{Curvas esfuerzo-Número de ciclos a falla (S-N)………}

2.6

_{Mecánica de la fractura……….………}

2.6.1

_{Modos de carga……….……….}

2.6.2

_{Factor de intensidad de esfuerzos……….……….}

German Anibal Rodríguez castro

2.6.3.1

_{Integral J……….}

2.6.3.2 _{Desplazamiento de apertura de punta de grieta CTOD}

_………..

2.6.4

_{Tamaño de zona plástica……….}

2.7

_{Propagación de grietas a fatiga……….}

2.7.1

_{Curvas de crecimiento de grieta a fatiga……….…………..}

2.8

_{Factores influyentes en el crecimiento de grieta a fatiga……….}

2.9

_{Cerramiento de grieta………..}

2.10

_{Descripciones de velocidad de crecimiento de grieta a fatiga……….}

2.11

_{Fatiga en superficies endurecidas……….………}

2.11.1

_{Grietas Cortas a fatiga en recubrimientos superficiales………..}

2.12

_{Tenacidad a la fractura………}

2.12.1

Método de prueba estándar ASTM E-1820………

2.12.1.1

_{Cálculo de K………..}

2.12.1.2

_{Cálculo de J………}

2.12.1.3

_{Cálculo de CTOD (}

δ

)……….……….

CAPITULO 3. Procedimiento experimental

………..………..

3.1

_{Introducción………}

3.2

_{Dimensiones de probetas.……….………….………}

3.3

_{Proceso de borurización……….………}

3.4

_{Caracterización de la capa borurizada………..}

3.4.1 Metalografía, espesor de capa y porosidad…….……….. 70

3.4.2

Adhesión……….

3.4.3

_{Perfil de durezas………}

3.4.4

_{Espectrometría de Rayos X por Dispersión de energía………...}

3.4.5

_{Perfil de esfuerzos residuales……….……….}

3.4.6

_{Pruebas de nanoindentación………}

3.5

_{Equipo utilizado para la pruebas de tensión y fatiga……….}

3.5.1

_{Máquina de flexión en viga rotatoria………}

3.5.2

_{Equipo para pruebas de tensión y flexión en tres puntos……….}

German Anibal Rodríguez castro

3.6.1

_{Pruebas de fatiga en viga rotatoria en voladizo……….}

3.6.2

. Tenacidad a la fractura………..

3.6.3

_{Crecimiento de grieta……….}

3.7

_{Estudio de superficies de fractura……….}

CAPITULO 4. Análisis de resultados

……….………….…

4.1

_{Introducción……….…..}

4.2

_{Caracterización de la capa borurizada………..}

4.2.1 Metalografía,

espesor de capa y porosidad………

4.2.2 Adhesión………..

4.2.3 Perfil de durezas………..

4.2.4 Espectrometría

de

energía de dispersión………

4.2.5 Perfil de esfuerzos residuales……….………..

4.2.6 Pruebas de nanoindentación……….

4.3 Pruebas de tensión……….……….

4.4 Curvas S-N………

4.4.1 Fractografía……….

4.5

_{Flexión en tres puntos……….}

4.5.1

_{Longitud de grieta y curvatura………..….………}

4.5.2

Ramificación de la punta de grieta y deflexión……….………..

4.5.3

_{Ramificación en punta de muesca………}

4.5.4

_{Delaminación………..}

4.5.5

_{Deformación plástica antes de la fractura……….}

4.5.6 Tenacidad a la fractura……….

4.6

Graficas a-N……….

4.6.1 Graficas - -

∆

_K………..

4.6.2 Mecanismo de fractura……….

CAPÍTULO 5. Discusiones

……….……….

5.1

Introducción……….……….

German Anibal Rodríguez castro

Conclusiones

……….……….…….

Recomendaciones para trabajo futuro

……….…….

Referencias

……….………..

Anexos

……….…..

A

_{Rugosidad de superficie borurizada……….….}

B

_{Estimación cualitativa de adherencia del sistema substrato/capa………….…..}

C

_{Microscopia electrónica de barrido (MEB)………...…….}

D

_{Difracción de rayos X ……….…….}

_{Técnica de nanoindentación ..………}

F

_{Método de Escalera……….……}

G

_{Participación en revistas publicadas……….}

German Anibal Rodríguez Castro

INDICE DE FIGURAS

1.1 Durezas superficiales obtenidas por diferentes métodos de endurecimiento

superficial………. 27

2.1 _{Desempeño a fatiga de probetas borurizadas con diferentes tratamientos térmicos} subsecuentes al borurizado……… 35

2.2 _{Curvas S-N de probetas de acero de radio amplio bajo condiciones de ambiente} agresivo. ……… 36

2.3 _{Etapas de vida a la fatiga de un componente mecánico ……….. 38}

2.4 Curva S-N para el acero AISI 1045………. ₃₉

2.5 _{Modos de carga……….. 40}

2.6 Sistema de coordenadas y componentes de esfuerzo enfrente de la punta de grieta………. 43

2.7 _{Sistema de coordenadas en la punta de la grieta y la integral de superficie………... 45}

2.8 Relación entre KIC y CTOD………... 46

2.9 Cedencia cerca de la punta de grieta………. 48

2.10 Representación esquemática del tamaño de la zona plástica enfrente de la punta de grieta……….. 49

2.11 Tamaño de zona plástica cíclica………. 50

2.12 _{Curva de crecimiento de grieta……… 50}

2.13 Variables que describen las condiciones a fatiga………. 51

2.14 _{Características de la curva - ∆K ....………} 53 2.15 Comportamiento de J en una interface. ……… 58

2.16 _{Curva carga-desplazamiento para flexión en tres puntos ………. 59}

2.17 Definición del área para cálculo de J……….. 60

2.18 Definición del Vpl y Pmax para cálculo de K………... 61

3.1 Experimentos realizados bajo condiciones de fatiga……….. 64

3.2 Dimensiones de las probetas TEN………... 65

3.3 Dimensiones de probeta VRM……… 65

3.4 Dimensiones de probeta RRA………... 65

3.5 Manufactura de la ranura en probetas SEN ..……….. 66

3.6 Dimensiones de probeta SEN. ………... 66

German Anibal Rodríguez Castro

3.8 Condiciones de tratamiento para probetas VRRA……….. 68

3.9 Condiciones de tratamiento para probetas SEN………..……... 68

3.10 a) Probetas TEN antes de borurización con y sin protección para evitar difusión de boro en sujeción para prueba. .………... 69

3.11 a) Probetas VRRA antes de borurización. b) Recipientes de acero inoxidable 304L para borurización.………..……… 69

3.12 Recipientes de acero inoxidable 304L para borurización de probetas SEN……..…... 69

3.13 _{Medición de espesor de capa………. 70}

3.14 Esquema de la distribución de las micro-indentaciones sobre la fase Fe2B (500X). 71 3.15 _{Equipo de rayos X modelo XTRESS 3000………..……... 72}

3.16 Máquina de fatiga a flexión en viga rotatoria………..……. 73

3.17 Extensión de brazo para máquina de fatiga a flexión en viga rotatoria…………..…… 73

3.18 Máquina servo-hidráulica modelo MTS -858 TABLE TOP SYSTEM…………..…….. 74

3.19 Configuración de la prueba de tensión………..…….. 75

3.20 Dispositivo para prueba de flexión tres puntos………..…… 75

3.21 Configuración para la prueba de tenacidad a la fractura………..……. 76

3.22 Distribución de equipo para pruebas de flexión………..…….. 76

3.23 Condiciones experimentales para VRM y VRRA……….. 77

3.24 _{Condiciones experimentales de pruebas SEN………... 78}

3.25 Rangos aproximados de magnificación para instrumentos utilizados para estudiar las superficies de fractura……… 79

4.1 Micrografía del acero AISI 1045 borurado………. 81

4.2 Imagen de mallado para obtener porcentaje de porosidad ………..……… 82

4.3 a) Micrografía del acero AISI 1045 borurado durante 1 h a 950ºC y b) Micrografía del acero AISI 1045 borurado y templado. ………... 83

4.4 Pruebas de adhesión por Rockwell C en la capa de boruros …………..………. 83

4.5 Perfil de dureza de probetas VRM (950ºC-8 h)……….….. 84

4.6 4.6 Perfil de dureza de probetas VRRA (950ºC-1 h)……….………….. 85

4.7 a) Composición química de capa borurizada medida en la sección transversal por EDS en probeta VRM (950ºC-8 h). b) Distribución de elementos a lo largo e la capa borurizada………...…… 85

4.8 Perfil de esfuerzos residuales en probeta VRM……… 86

4.9 Grafica obtenida por nanoindentación de diferentes condiciones de borurizado y pos tratamiento en la fase Fe2B……….………. 87

German Anibal Rodríguez Castro

4.11 Grafica obtenida por nanoindentación de diferentes condiciones de borurizado y pos

tratamiento en la zona de difusión……….……. 88

4.12 Fractografias de probetas sometidas a tensión. A) probeta normalizada, b) probeta

borurizada 6durante 6 h c) Probeta borurizada durante 6 h y templada……..………… 90

4.13 Grafica Esfuerzo-deformación para una probeta borurizada (B6h)…………..………… 90

4.14 Comportamiento a fatiga de probetas VRM………..……….. 91

4.15 Comportamiento a fatiga de probetas VRRA durante 1 h de borurización.…….…….. 92

4.16 _{Comportamiento a fatiga de probetas VRRA durante 3 h de borurización…….……… 93} 4.17 Comportamiento a fatiga de probetas VRM……… 93

4.18 Fractografia de la periferia de probeta VRRA borurizada mostrando la región de la

capa con microgrietas y porosidades (250x)……… 94

4.19 Curvatura enfrente de grieta por esfuerzos residuales. a) Probeta borurizada 6h y

templada, b) Probeta borurizada 6h y templada……….….…… 95

4.20 Bifurcación de grieta. a) acero AISI 1045 normalizado, b) AISI 1045 Borurado y

templado……….. 96

4.21 Crecimiento de grieta sin deflexión en probeta borurizada templada. Montaje de

experimento de crecimiento de grieta……… 96

4.22 Ramificaciones en punta de muesca a) Probeta borurizada 1 h y templada

(N=13000), b) Probeta borurizada 6 h (N=13000)………...……… 97

4.23 Desprendimiento de capa durante ciclos a la fatiga. a) Probeta borurizada 1h (15000 ciclos), b) Probeta borurizada 6h y templada (15000

ciclos)………... 97

4.24 Delaminación antes de la fractura total bajo condiciones de R=0.55 y Pmax=9 kN…… 99 4.25 Grafica P-l de prueba flexión en tres puntos de una probeta borurizada 6 h. y

templada……….. 100

4.26 Grafica P-CMOD de prueba flexión en tres puntos de una probeta borurizada 6 h. y

templada………. 101

4.27 _{Curva a-N del acero AISI 1045 normalizado………. 104} 4.28 Curva a-N del acero AISI 1045 borurizado y revenido a 550°C……… 104

4.29 _{Curva a-N del acero AISI 1045 borurizado, templado (845°C) y revenido (550°C)…… 105} 4.30 Curvas a-N bajo condiciones de R=0.55 y Pmax = 9 kN………..……….. 105 4.31 _{Grafica Log-Log de vs ∆K………....………...}

106

4.32 _{Grafica Log-Log de vs ∆K. ……….………}

107

4.33 _{Crecimiento de grieta para el acero AISI 1045 a temperatura ambiente y 4 Hz ..…… 108} 4.34 _{Crecimiento de grieta para probetas borurizadas mediante la ecuación de}

Paris………. 108

German Anibal Rodríguez Castro

probeta Borurizada………

4.36 Fractografía en MEB tomada de superficies de fractura de una probeta a fatiga

mostrando la ausencia de estriaciones……… 109

4.37 Ejemplos de superficies de grieta a fatiga en donde las estriaciones son ausentes o difícil de observar……….………. 110

4.38 Superficies de fractura las cuales fueron fracturadas por propagación de grieta frágil en planos de clivaje……….………. 111

4.39 Fractografía en MEB de superficies fracturadas por propagación de grieta frágil en planos de clivaje. Probeta BT6h……….……….………. 111

4.40 Ejemplos de fracturas mostrando grietas secundarias asociadas con estriaciones de fatiga……….………... 112

4.41 Fractografía en MEB indicando grietas secundarias a partir de estriaciones. Pobreta B1h ………….……….……….. 112

4.42 Fractografía mostrando un ejemplo donde la propagación de grieta a fatiga es intergranular……… 113

4.43 Fractografía mostrando fractura intergranular y transgranular. Probeta borurizada 6h y templada……….. 113

4.44 Fractografía mostrando la zona final de la fractura. a) Probeta normalizada. B) Probeta B6Th y templada……… 114

4.45 Fractografía del estado III de propagación. Probeta B1h……….………….. 114

5.1 Marca de fatiga y desgaste en aceros……….……….. 118

5.2 Rugosidad obtenida después del borurizado durante 1 y 3 h. a 950°C………... ₁₂₁

5.3 Efecto del revenido inhibiendo la propagación de grietas posterior al revenido a 550°C en la capa de boruros………..………. 121

5.4 _{Curva a-N..……….…………... 123}

German Anibal Rodríguez Castro

INDICE DE TABLAS

1.1 Métodos ingenieriles para endurecimiento superficial de aceros ………. 25

1.2 Aplicaciones industriales de diferentes aceros borurizados .………. 28

3.1 Tabla 3.1 Propiedades físicas y mecánicas del acero AISI 1045 .……… 64

4.1 Porosidad y espesor de capa ………. 82

4.2 Propiedades mecánicas de probetas borurizadas durante 1 y 6 h y templadas .….. 89

4.3 Valores de tenacidad a la fractura y apertura crítica de punta de grieta……….……. 102

German Anibal Rodríguez Castro

RESUMEN

German Anibal Rodriguez Castro

ABSTRACT

In this work is analyzed the behavior of a surface hardened AISI 1045 steel by boron diffusion

(boriding) under fatigue conditions. The formation of iron borides layer is made using the powder

process at temperature of 950 ° C for 1, 3, 6 and 8 h. After boriding, quenched and tempered heat

treatments were performed to analyze its effect on the fatigue tests. Once the layers of borides

were formed and treated, the coating characterization was performed using optical microscopy

techniques to measure layer thicknesses and porosity percentage; vicker microhardned tests were

carried out to obtain the hardness profile from layer to the substrate.To estimate the distribution of

heavy chemical elements in the layer of borides was used the Energy dispersive X-ray

spectroscopy and the X-ray diffraction to determine the of residual stresses level. The

nanoindentation technique was applied to obtain specific properties of Young´s modulus and

hardness in the system coating / substrate.Subsequently, the macromechanical characterization

was performed, first with standard tension tests in the ASTM E-8 to determinate the elastic

modulus, yield stress, maximum stress, area reduction percentage and ductiliity to preset the

stress level to fatigue tests.To determine the effect of the hardening, the fatigue life-stress curves

were obtained in rotating bending beam in a nocht and hourglass shape specimens for borided,

quenched and low temperature tempered following the ASTM E-739 standard.The fracture

toughness and crack tip opening desplacement was determinated in borided specimens following

the ASTM E-1820 stándard and finally the coefficients C and m of the Paris law are obtained from

the crack length- life curves through monitoring of crack propagation with an optical technique,

based on the ASTM E-647 standard.The results provide the information necessary for the

implementation of borided AISI 1045 steel under fatigue conditions and assessing their

German Anibal Rodríguez Castro

ANTECEDENTES

Con el objetivo de contribuir a la generación de tecnología de vanguardia que permite reducir la

dependencia tecnológica del País, investigadores del Instituto Politécnico Nacional (IPN) crearon y

patentaron una innovadora metodología para mejorar la calidad y resistencia de materiales

metálicos. El Grupo de Ingeniería de Superficies de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y

Eléctrica (ESIME), Unidad Zacatenco. Este grupo ha logrado incrementar la dureza, durabilidad y

resistencia de metales sometidos a corrosión, desgaste, abrasión y altas temperaturas, mediante

procesos de tratamientos termoquímicos, principalmente la borurización.

Las investigaciones realizadas por el grupo de Ingeniería de Superficies y existentes en la

literatura abierta en aleaciones ferrosas y no ferrosas sometidas al borurizado se han enfocado

principalmente a la caracterización solo del recubrimiento bajo condiciones tribológicas y de

corrosión debido a las características propias de la capa de boruros de hierro formada. Sin

embargo, debido a las cualidades de la capa de boruros formada en la superficie como son alta

dureza y existencia de esfuerzos residuales a compresión formados por el tratamiento

termoquímico se considera la idea de estudiar esos productos bajo condiciones de fatiga como lo

ha sido con otros procesos de difusión termoquímica.

El desempeño bajo condiciones de fatiga de aceros tratados termoquímicamente por procesos de

difusión, como Nitruración, Carburizacion y Carbonitruración, mejoran el desempeño a fatiga; los

estudios realizados sobre borurización han sido mucho menores, estudios que son detallados en el

capítulo 2, principalmente obtenidos mediante curvas esfuerzo contra vida a la fatiga y demuestran

que existe gran disparidad en las conclusiones a las que llegan las investigaciones dependiendo

German Anibal Rodríguez Castro

JUSTIFICACIÓN

Dependiendo de las condiciones del proceso, características del material y condiciones de la superficie, varios modos de falla pueden ocurrir en componentes de ingeniería. Desgaste y fractura debido a fatiga son de las formas más comunes. A partir de que las grietas generalmente se originan en la superficie, éstas tienen una influencia importante en el comportamiento a fatiga. De hecho, las mejoras en las condiciones superficiales, pueden tener efectos benéficos en la resistencia al desgaste y comportamiento a fatiga de materiales. Así como también la condición superficial y alteraciones superficiales relacionadas con la manufactura afectan fuertemente la resistencia a fatiga.

El efecto de un tratamiento superficial es un caso específico. Esto es, el efecto está en función de la alteración ocasionada por el mismo proceso modificando la composición local, la orientación de la microestructura local, introducción de esfuerzos residuales, así como alteraciones de acabado superficial; los cuales dependen de los parámetros específicos del proceso y el material al que se le aplica. Por ejemplo, el nitrurado y carburizado ha sido empleado exitosamente para mejorar el desempeño a fatiga de aceros. En estos casos, la razón de mejora en fatiga ha sido explicada por la combinación de resistencia y esfuerzos residuales compresivos generados por el mismo proceso de endurecimiento.

La alta dureza generada en la superficie del elemento borurizado, los esfuerzos residuales producidos por el mismo proceso de difusión de boro y la características propias de la capa generada sugiere un efecto combinado que es de interés científico e industrial ánalizar, ya que los resultados bajo condiciones de cargas cíclicas pueden ser inesperados por las razones mencionadas en párrafos anteriores.

German Anibal Rodríguez Castro

OBJETIVO GENERAL

Analizar el comportamiento a fatiga del acero AISI 1045 endurecido superficialmente por difusión de Boro bajo condiciones de esfuerzos de amplitud constante mediante pruebas experimentales de flexión en viga rotatoria y flexión en tres puntos.

OBJETIVOS PARTICULARES

1. Obtener las propiedades mecánicas derivadas de la prueba de tensión para probetas endurecidas superficialmente.

2. Obtener la curva S-N para el acero AISI 1045 en estado Normalizado y borurizado para probetas con muesca.

3. Obtener la curva S-N para el acero AISI 1045 en estado normalizado y borurizado con un gradiente de dureza suavizado entre capa y substrato para probetas en forma de reloj de arena.

4. Analizar la influencia del endurecimiento superficial del acero AISI 1045 en la tenacidad a la fractura mediante pruebas de flexión en tres puntos y apertura de grieta.

5. Obtener el índice de crecimiento de grieta (da/dn) del acero AISI 1045 borurizado bajo condiciones de fatiga en probetas sometidas a flexión en tres puntos.

German Anibal Rodríguez Castro

ESTRUCTURA DEL TRABAJO

El trabajo está dividido en seis capítulos incluido las conclusiones. A continuación se describe brevemente el contenido de cada uno de ellos.

En el capítulo 1, Introducción; se mencionan los procesos de endurecimiento superficial con el objetivo de poner en contexto a la borurización. Se aborda la importancia de este tratamiento termoquímico, sus principales aplicaciones dentro de la industria y finalmente el fenómeno de fatiga en aceros endurecidos superficialmente.

Durante el capítulo 2, Marco Teórico se expone una revisión de las principales investigaciones realizadas en materiales borurizados y se puntualizan los estudios realizados de los mismos pero bajo condiciones de fatiga realizadas por diferentes investigadores, obteniendo las curvas S-N. Tambien se describen los principales conceptos de fatiga y mecánica de la fractura lineal elástica que son aplicados para estudiar el crecimiento de grieta en este trabajo.

El Procedimiento Experimental es revisado en el capítulo 3. Aquí se describen los procedimientos,

equipo, dispositivos y condiciones de los tratamientos a las probetas endurecidas. Se detalla todo lo concerniente a la caracterización de la capa de boruros, pruebas de mecanicas, de fatiga en viga rotatoria, de tenacidad a la fractura, crecimiento de grieta y fractografía.

German Anibal Rodríguez Castro

En el capítulo 5, Discusiones se aborda el tema de fatiga y desgaste como un nicho de oportunidad para componentes borurizados debido a las cualidades o propiedades favorables de la capa en ambientes agresivos. Finalmente en el capítulo de las conclusiones se mencionan las aportaciones de este trabajo en relación con los objetivos planteados a inicio del mismo. Existe una sección de trabajos futuros donde se plantean estudios factibles de realizarse en base a los resultados y experiencia obtenida en este trabajo.

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CAPITULO 1. Introducción

1.1 Endurecimiento superficial.

Actualmente existe una demanda creciente de materiales para componentes ingenieriles y herramentales. Las solicitaciones de vida de servicio cada vez más exigentes provocan la creación o modificación de materiales. El endurecimiento superficial, proceso de modificación superficial, es una opción a estas demandas; dicho proceso incluye una amplia variedad de técnicas utilizadas para mejorar las propiedades del substrato, principalmente la resistencia al desgaste.

La Sociedad Americana de Metales (ASM) [1] plantea dos propuestas para llevar a cabo el endurecimiento superficial, estas son:

1. Métodos que involucran la adición de una nueva capa.

2. Métodos que involucran la modificación superficial o sub-superficial sin ninguna intención de adicionar una nueva capa.

Las dos propuestas se pueden realizar por diferentes técnicas indicadas en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Métodos ingenieriles para endurecimiento superficial de aceros. Tabla tomada de la ASM [1].

ADICION DE CAPA TRATAMIENTO DEL SUBSTRATO

REVESTIMIENTO DURO METODOS DE DIFUSION METODOS DE

ENDURECIMIENTO SELECTIVO

Adición por fusión (soldadura) Carburizado Endurecimiento por flama

Rociado térmico Nitrurado Endurecimiento por inducción

RECUBRIMIENTO Carbonitrurado Endurecimiento por láser

Revestimiento electroquímico Nitrocarburizado Implantación de Iones

Deposición química de vapor Borurizado Carburización, Nitrurado y Borurizado selectivo

Películas delgadas (deposición

física de vapor, atomización)

Difusión de

Titanio-Carbono Uso de arco eléctrico

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Recubrimientos, películas y soldadura sobrepuesta generalmente son menos efectivos en términos de costo conforme la producción se incrementa, además el desempeño a fatiga puede ser una limitante dependiendo de la adherencia entre capa y substrato.

Los métodos de difusión modifican la composición química de la superficie con elementos como el carbono, nitrógeno o boro permitiendo el endurecimiento superficial de una o varios elementos. En los métodos de difusión, el proceso básico utilizado es termoquímico debido a que el calor es necesario para difundir y enriquecer la superficie con átomos de boro y por ende lograr el endurecimiento superficial, así como la región inmediata debajo de la superficie de un elemento. Los métodos de difusión permiten un endurecimiento efectivo de la superficie de un elemento y generalmente usados cuando un gran número de piezas deben ser endurecidas.

La borurización, tratamiento termoquímico que difunde átomos de boro en la superficie de un metal a altas temperaturas, entre 850°C y 950°C aproximadamente, produce boruros metálicos de alta dureza, resistencia al desgaste, a la corrosión y a altas temperaturas.

1.2 La Borurización.

1.2.1 Importancia de la Borurización.

En un número de aplicaciones el borurado ha remplazado a procesos como carburizado, nitrurado y nitrocarburizado [2]. Durante el borurado, la difusión y la subsecuente absorción de átomos de boro en la estructura metálica del componente superficial, forman compuestos de boro intersticial [3-5]. La capa resultante puede consistir de una fase simple o de varias. La morfología, crecimiento y composición de las fases que forman la capa de boruros es influenciada por los elementos aleantes del material substrato. La microdureza de la capa de boruros también depende fuertemente de la composición y estructura de la capa de boruros y composición del substrato. La ASM [6]señala ciertas características de las capas borurizadas con especial ventaja sobre las capas endurecidas convencionalmente, estas son:

- Las capas de boruro de hierro son extremadamente duras entre 1600 y 2000 HV, mayores a las formadas por otros procesos de endurecimiento superficial como se puede observar en la Figura 1.1.

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triboxidación y fatiga superficial permitiendo utilizar aceros comerciales y no tan costosos modificando solo sus superficies obteniendo propiedades superiores al substrato.

- La dureza de la capa borurizada puede ser retenida a altas temperaturas.

- Borurado puede elevar considerablemente la resistencia a la corrosión y erosión de materiales ferrosos en ácidos diluidos y medios alcalinos e incrementar su aplicación industrial.

- Las superficies borurizadas tienen resistencia moderada a la oxidación arriba de 850°C y mejoran la resistencia al ataque de metales fundidos.

- Partes borurizadas tienen un incremento de vida a fatiga y desempeño en servicio bajo ambientes corrosivos y oxidación.

Figura 1.1. Durezas superficiales obtenidas por diferentes Métodos de endurecimiento superficial.

1.2.2 Aplicaciones de la Borurización.

Debido a las ventajas ofrecidas por el proceso de borurizado, existen aplicaciones en diferentes campos. Partes borurizadas han sido utilizadas con buenos resultados en varias áreas industriales resultando en el incremento de su vida útil, como se puede observar en la tabla 1.2

1.3 Fenómeno de fatiga en aceros endurecidos superficialmente.

La ASTM [8] define a la Fatiga como el proceso de cambio estructural permanente localizado y progresivo en un material sujeto a condiciones que producen esfuerzos fluctuantes y deformaciones en algún punto o puntos y que pueden culminar en grietas o fractura completa después de un número suficiente de fluctuaciones.

Carburizado

Nitrurado

Borurizado Carbonitrurado

Carburo de Titanio Cromado

Aceros más duros

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Tabla 1.2 Aplicaciones industriales de diferentes aceros borurizados. Tomada de Alwart y Ulrich [7].

ACERO APLICACION

1015 Ejes. Engranes y diversos elementos de maquinaria 1045 Pernos y discos abrasivos

4140 Pistones

E52100 Cojinetes y guías

D2, D3 Bujes y herramientas para estampado

H11, H13 Herramientas para moldes de inyección

L6 Pernos y dados para forja

02, 07 Rodillos para grabados

302, 306 Partes para la industria química y textil.

410 Moldes

Sistemas de endurecimientos superficiales son usualmente sometidos a cargas cíclicas, resultando que el material recubierto o endurecido superficialmente se despegue algunas veces del substrato debido a fuerzas cortantes y normales que actúan en la superficie. Dicho desprendimiento es causado por la pobre adherencia entre el sistema de superficie endurecida por difusión y substrato. También, entre este sistema, la generación de grietas comienzan a formarse y propagarse. Otro factor importante en la vida de servicio a fatiga puede ser afectado por cambios en esfuerzos residuales y microdureza generada por el proceso mismo[8].

En este tipo de sistemas, bajo condiciones de fatiga, el rango del factor de intensidad de esfuerzos en el umbral para el crecimiento de grieta y el rango de esfuerzos del límite de fatiga son influenciados por defectos, inclusiones, esfuerzos residuales y heterogeneidad del material. Una seria reducción en resistencia a la fatiga y también considerable dispersión puede resultar de estas características propias del método de endurecimiento [9].

La iniciación de grietas a fatiga y crecimiento de pequeñas imperfecciones son temas de considerable interés para estimar la vida de elementos con alguna modificación superficial, llámese endurecimiento superficial o recubrimientos.

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por la evaluación de sus propiedades mecánicas partiendo desde dureza hasta tenacidad y resistencia a fatiga [10-14]. La combinación de tenacidad del substrato y dureza superficial da ha ido creando mayor interés en la optimización de las mismas propiedades de las capas generadas y utilizadas en ambientes severos donde esfuerzos estáticos o dinámicos están presentes. Por tal motivo la caracterización a fatiga debe ser llevada a cabo y no únicamente la realizada para mejorar la resistencia al desgaste o corrosión [15-16].

La propagación de grieta a fatiga, referido como el estado II, representa una larga porción de la vida de materiales y estructuras ingenieriles; por lo tanto predicciones exactas de la propagación de grieta a fatiga es de suma importancia para determinar la velocidad de crecimiento.

Dependiendo de las condiciones del proceso, características del material y condiciones de la superficie, varios modos de falla pueden ocurrir. Desgaste y fractura debido a fatiga son de las formas más comunes. A partir de que las grietas a fatiga se originan en la superficie, ésta última tiene una influencia importante en el comportamiento a fatiga. De hecho, las mejoras en las condiciones superficiales, pueden tener efectos benéficos en la resistencia al desgaste y comportamiento a fatiga de materiales [17]. Así como también la condición superficial y alteraciones superficiales relacionadas con la manufactura afectan fuertemente la resistencia a la fatiga.

El efecto de un tratamiento superficial es un caso específico. Esto es, el efecto está en función de la alteración ocasionada por el mismo proceso modificando la composición local, la orientación de la micro estructura local, introducción de esfuerzos residuales, así como alteraciones de acabado superficial; los cuales dependen de los parámetros específicos del proceso y el material al que se le aplica.

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La alta dureza generada en la superficie del elemento borurizado, los esfuerzos residuales generados por el mismo proceso de difusión de boro y la características propias de la capa generada sugiere un efecto combinado que es de interés científico e industrial analizar, ya que los resultados bajo condiciones de cargas cíclicas pueden ser inesperados para las razones ya mencionadas.

A pesar de existir trabajos sobre el desempeño bajo condiciones de fatiga de aceros tratados termoquímicamente por procesos de difusión, como los mencionados en las referencias [18, 19] sobre Nitruración, Carburizacion y Carbonitruración; los estudios realizados sobre borurización son mucho menos. Aun con los existentes, solo se han obtenido curvas S-N (Grossman) basado en cantidades de especímenes que llevan a una predicción inexacta de vida a fatiga de probetas tratadas debido a la gran dispersión de resultados experimentales. Además, el fenómeno físico y mecanismo gobernante del proceso de fatiga es parcialmente ignorado; esencialmente la función de la capa en las etapas iniciales de fatiga ya que dependiendo de la prontitud en la Nucleación de la grieta afectara la vida total del componente endurecido.

CAPITULO 2.

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Capítulo 2. Marco teórico

2.1 Introducción.

El propósito de este capítulo es dar un panorama general de las investigaciones realizadas con

materiales borurizados y puntualizar los estudios realizados en la borurización bajo condiciones de

fatiga por diferentes investigadores; estos trabajos radican en la obtención de curvas S-N. Las

pruebas se han realizado en especímenes con diferentes condiciones superficiales borurizadas

modificando principalmente un tratamiento térmico subsecuente al de estudio buscando optimizar

el desempeño de las mismas. También el estudio en algunos casos se ha realizado en condiciones

ambientales agresivas utilizando compuestos químicos como el Cloruro de Sodio. Los resultados

obtenidos en estas investigaciones no revelan un resultado convincente en cuanto al desempeño

del borurizado en condiciones de fatiga, ya que en algunos casos son contradictorios los

resultados obtenidos.

2.2 Caracterización de aceros borurizados.

Las investigaciones reportadas en la literatura abierta en aleaciones ferrosas y no ferrosas

sometidas al borurizado se han enfocado principalmente a la caracterización solo del recubrimiento

bajo condiciones tribológicas y de corrosión debido a las características propias de la capa de

boruros de hierro que se ha formado. La diversidad de estos trabajos en materiales borurizados

es amplia y diversa como se ha mencionado en el párrafo anterior. A continuación se mencionan

algunas investigaciones realizadas en aceros borurizados por el grupo de investigación de

ingeniería de superficies de la SEPI- ESIME Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional.

En el 2009, se caracteriza la superficie del acero AISI 4140 mediante la presencia y distribución de

elementos aleantes en la fase Fe2B por la técnica de GDOES; se estiman los esfuerzos residuales

y tenacidad a la fractura por microindentacion Vickers [20].

Durante el 2008 se evaluó la morfología de interfaces borurizadas en el acero AISI M2 por medio

de la teoría fractal. El proceso de borurización se realizó a temperatura de 980°C y 1000°C

durante 2 y 6 h en pasta. La morfología de las interfaces entre las capas FeB, Fe2B y substrato se

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Se ha estudiado la morfología de la rugosidad producida en microgrietas producidas por micro

indentacion en la capa de boruros de hierro en la fase F2B por medio de geometría fractal. Se

utilizó el proceso de borurado en pasta en el acero AISI 1045 a diferentes temperaturas y dos

diferentes tiempos de exposición. Se determinó que todas las microgrietas indentadas muestran

una característica auto afín con el mismo exponente de Hurst H=0.8± 0.1. y KIC=0.42±0.02 MPa

m0.75 [22].

Se evaluó la tenacidad a la fractura en capas borurizadas Fe2B en el acero AISI 1045. Estas capas

se formaron por el proceso de borurado en pasta a diversas temperaturas durante 8 h. Se

utilizaron dos modelos de grietas Palmqvist de T. Laugier y K. Niihara para evaluar la tenacidad a

la fractura obteniéndose valores de 4.1 ± 0.6 Mpa m1/2 y 4.5 ± 1.8 Mpa m1/2 [23].

El comportamiento bajo condiciones de corrosión de capas borurizadas en la superficie del acero

AISI 304 fue evaluado en una solución de NaCl. Se utilizo la técnica de EIS, para evaluar la

resistencia de polarización en la superficie del acero. Diagramas de Nyquist mostraron que los

valores más altos de resistencia a la corrosión se presentan en las muestras borurizadas a la

temperatura de 1000°C con tiempo de tratamiento de 4 horas y espesor de pasta de carburo de

boro de 4 mm [24].

Mediante análisis dimensional se estudio la cinética de crecimiento de capas borurizadas FeB y

Fe2B en los aceros AISI 1045 y M2 bajo condiciones de tratamiento de 900, 950 y 1000˚C durante

2 y 6 h. Los resultados indican que el crecimiento de capas borurizadas obedecen la ley de

potencia de la forma y = axb, donde las constantes α y β son una función del material y de la

interface de interés [25].

Se ha evaluado la cinética de crecimiento en la fase Fe2B de capas borurizadas en el acero AISI

1045 por medio de redes neuronales y técnicas de mínimos cuadrados. La fase Fe2B fue formada

utilizando el proceso de borurizado en pasta. La confiabilidad de la técnica utilizada fue

comparada con datos experimentales de muestras borurizadas durante 5 h a la temperatura de

950°C y potenciales de boro de 2, 3, 4 y 5 mm. Los resultados de espesor de capa muestran un

error promedio de 5.31% para las redes neuronales y 3.42% para el método de mínimos

cuadrados [26].

Otras numerosas publicaciones no pertenecientes al grupo de ingeniería de superficies se han

realizado; por ejemplo, enfocada al estudio de desgaste de elementos borurizados en aceros AISI

1020, 1045, 4140 y 4340 en la capa Fe2B [27]. Caracterización del comportamiento en desgaste y

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concluyéndose mejores resultados de borurización bajo cargas ligeras en fricción y desgaste

[28,29].

Efectos del tamaño de partícula del polvo utilizado en el proceso de borurizado en la formación de

la capa ha sido investigado; concluyendo que a menor tamaño de polvo, el espesor de capa

aumenta y los tiempos de tratamiento disminuyen y a mayor contenido de carbono la dureza crece

y el espesor de capa disminuye [30].

Estudios realizados en cuanto microestructura, microdureza, corrosión y propiedades tensiles de

probetas borurizadas a diferentes tiempos se han llevado a cabo en aceros de medio contenido de

carbono, con mejor morfología microestructural y posiblemente mejor distribución de esfuerzos

residuales a menores tiempos de tratamiento impactando en un decremento de microdureza y

mejorando propiedades mecánicas como ductilidad y tenacidad [31].

Otras investigaciones se han realizado en este campo de materiales endurecidos superficialmente

por difusión de boro, tanto por el grupo de ingeniería de superficies como por otros investigadores

que demuestran la gran variedad y aplicabilidad de este proceso en resistencia al desgaste y

corrosión principalmente.

2.3 Vida a fatiga de aceros borurizados.

La mayoría de los trabajos sobre borurización están enfocados principalmente a la caracterización

de la capa, y desempeño bajo condiciones agresivas de ambiente como es corrosión y desgaste.

Sin embargo, debido a las cualidades de la capa de boruros formada en la superficie por el

tratamiento termoquímico del proceso (alta dureza y esfuerzos residuales a comprensión) nace la

idea de estudiar este proceso bajo condiciones de fatiga como lo ha sido ya el nitrurado. Existen

investigaciones realizadas por diferentes autores sobre pruebas mecánicas y fatiga en materiales

borurizados que a continuación son descritas.

Ornig y Schaber [32], afirman que el borurado reduce ligeramente la resistencia y tenacidad en

pruebas de tensión e impacto en comparación a las no tratadas pero considerablemente menos

que lo que se supondría por el alto grado de dureza alcanzada con este proceso en un acero C35;

en un acero Ck10 se muestra una pequeña mejora en sus propiedades.

Por su parte, Atens y Kunst [33], reportan la influencia de un tratamiento de revenido subsecuente

en las propiedades de resistencia y tenacidad de un acero borurizado. Reportan que los valores

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revenido a alta temperatura (550°C) alcanzan los mismos valores de probetas normalizadas, en

cambio a bajas temperaturas de revenido (270°C) causan una pequeña disminución en valores de

resistencia. Valores de tenacidad a la fractura obtenida por pruebas de impacto en acero C45

muestran similares tendencias. También, mencionan que la presencia de dos fases (FeB y Fe2B)

es nociva, provocando falla a menores valores de resistencia en comparación a los de una sola

fase (Fe2B).

Scheiber y Riehle [34], encontraron que la resistencia a la fatiga mejora solamente en un rango de

esfuerzos de 185 a 245 MPa en espesores de capa de 40 y 50 µm para un acero C15. Reportan

que efectos negativos de imperfecciones en la superficie fueron compensados con los esfuerzos

residuales presentes en la capa borurizadas causando dicho incremento en la vida a fatiga. Así

mismo, establecen que espesores mayores no tienen un efecto importante en el rendimiento de las

probetas borurizadas.

Gurevich y Pirogova [35], reportan en diferente proporción la disminución de resistencia a la fatiga

en pruebas de flexión en viga rotatoria en un acero 38KhS borurado electrolíticamente

dependiendo del subsecuente tratamiento térmico aplicado relacionado con la distribución de

esfuerzos residuales producidos por el proceso de borurizado. Espesores de capa son entre 150 y

180 µm.

Figura 2.1 Desempeño a fatiga de probetas borurizadas con diferentes tratamientos térmicos subsecuentes al borurizado. Grafica tomada de Gurevich y Pirogova [35]. 1. Normalizado a 880°C. y revenido a 560°C durante 3 h; 2. Borurizado a 950°C durante 3 h, 3. Borurado electrolítico a 950°C durante 3 h. Enfriamiento al aire. 4. Borurizado electrolítico a 950°C durante 3 h. con enfriamiento al aire y revenido a 560°C durante 3 h.

En la figura 2.1 se observa el efecto de las diferentes condiciones de tratamiento posterior; el

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borurizado y enfriado al aire lo reduce a 300 MPa y el borurizado seguido de revenido a 560°C lo

incrementa a mismas magnitudes del normalizado.

Zamikhovskii [36], presenta un estudio de fatiga en aceros de diferentes contenidos de Carbono

sometidos a borurización. Los aceros st. 20, st. 45 y U8 fueron borurizados en una mezcla de

borax y carburo de boro obteniéndose espesores de capa de 170, 150 y 120 µm respectivamente

a 950ºC durante 6 h. Los resultados demuestran un incremento de 18 y 22% el límite de fatiga del

acero, mientras que la condición bajo ambiente corrosivo incrementa entre 60 y 100% después del

borurizado observados en la figura 2.2.

Figura 2.2 Curvas S-N de diferentes aceros bajo condiciones de ambiente agresivo y normal. Grafica tomada de Zamikhovskii [36].

Celik, Gasan, Ulutan y otros [37] presentan investigaciones similares de flexión en viga rotatoria

para el acero AISI 1010 resultando desfavorable en el desempeño de viga a fatiga. El decremento

es entre 14-55%. Las condiciones del proceso de borurización se llevaron a cabo en un medio

sólido de carburo de boro durante 850, 900, 950 y 1000°C durante 2, 4 y 6 h; obteniéndose

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2.4 Fatiga de metales.

Fatiga de metales es un proceso que causa falla prematura o daño de un componente sujeto a

carga repetida. Este es el resultado de un proceso de daño acumulado constituido por tres etapas:

iniciación de grieta, propagación y fractura final del componente.

Durante la carga cíclica, deformación plástica localizada puede ocurrir en un lugar altamente

esforzado. Esta deformación plástica induce daño permanente al componente y una grieta

entonces se desarrollará. Como el componente experimenta un incremento en el número de ciclos

de carga, la grieta existente se ve afectada con su crecimiento (daño) hasta llegar a cierto número

de ciclos donde la sección restante no soporta la carga operacional y el componente falla por

sobre carga.

Existen diferentes estados de daño a fatiga en un componente, donde los defectos pueden iniciar

la grieta desde una sección sin daño inicial y propagar de una manera estable hasta la falla

catastrófica. La iniciación y crecimiento de microgrietas como un resultado de carga a fatiga es una

importante tarea debido a que estas etapas generalmente representan la mayor parte de la vida

total a fatiga, además de que el conocimiento de éstas permite prevenir daño a fatiga.

Para esta situación general la progresión de daño a fatiga puede ser clasificada en los siguientes

estados (véase figura 2.3):

1. Cambio subestructural y estructural causando nucleación de daño permanente.

2. Creación de grietas microscópicas.

3. Crecimiento y coalescencia de defectos microscópicos (microgrietas). Para un punto de

vista práctico, este estado de fatiga generalmente constituye los límites entre iniciación y

propagación.

4. Propagación de macrogrietas en estado estacionarios.

5. Inestabilidad estructural o fractura completa.

Las grietas comienzan en un plano cortante localizado en o cerca de un concentrador de

esfuerzos, tales como inclusiones, porosidades, bandas de deslizamiento o discontinuidades. Una

vez que la nucleación ocurre y las cargas cíclicas continúan la grieta tiende a crecer a lo largo del

plano de máximo esfuerzo cortante.

Las condiciones de nucleación de microdefectos y la velocidad de propagación de grieta a fatiga

es ampliamente influenciada por un amplio rango de factores mecánicos, microestructurales y

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