La influencia del acabado superficial generado por procesos de granallado sobre la resistencia a fatiga de los metales

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0

LA INFLUENCIA DEL ACABADO SUPERFICIAL GENERADO POR PROCESOS DE

GRANALLADO SOBRE LA RESISTENCIA A FATIGA DE LOS METALES

ALEJANDRO ALFONSO MOZO CUBIDES

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, COLOMBIA

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1

LA INFLUENCIA DEL ACABADO SUPERFICIAL GENERADO POR PROCESOS DE

GRANALLADO SOBRE LA RESISTENCIA A FATIGA DE LOS METALES

Proyecto de grado para optar por el título de

Ingeniero mecánico

ALEJANDRO ALFONSO MOZO CUBIDES

ASESOR

:

LUIS MARIO MATEUS SANDOVAL. M.Sc.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, COLOMBIA

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todas las personas que me colaboraron y apoyaron para que este proyecto se pudiera elaborar de la mejor de las maneras. Al profesor Luis Mario Mateus, quien me orientó en todo el proceso, agradezco también su completa disposición a cualquier ayuda que yo presentara y a los consejos que me brindo sobre el proyecto y la vida profesional. A los técnicos y encargados de los laboratorios Ramiro Beltrán, Juan David Hernández, José Nieto,

Jorge Reyes y Jimmy Niño quienes siempre me brindaron un gran apoyo durante toda mi carrera. Agradezco a Gerardo Hidalgo quien siempre me brindo toda su colaboración con la mejor actitud.

A mis padres José Mozo y Elizabeth Cubides, quienes siempre me acompañaron y me bendijeron en cada paso de mi vida.

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3 TABLA DE CONTENIDO

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 4

1.1. ESTADO DEL ARTE……….…5

1.2. OBJETIVOS………....……6

1.2.1.OBJETIVO GENERAL……….…..6

1.2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS……….……6

CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 7

2.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO………..…………..………7

2.1.1. MODELO DE SHIGLEY………..……….……….7

2.1.2. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA………..…………..9

2.1.3. MÉTODO DE TAGUCHI………..…..10

2.1.4. MODELO DE HERTZ……….…………..10

2.2. ETAPA EXPERIMENTAL………..12

2.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN………13

2.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA………...13

2.2.2.1. MÁQUINA DE FATIGA………..…….14

2.2.2.2. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA………..15

2.2.2.3. RANGOS DE CONFIABILIDAD PARA LAS CURVAS DE FATIGA………..16

2.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS SUPERFICIALES………..………17

2.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD……….………..17

2.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL……….17

2.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA……….……….17

CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 19

3.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO……….…..19

3.1.1.GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA……….………19

3.1.2. MÉTODO DE TAGUCHI………..……19

3.2. ETAPA EXPERIMENTAL………..21

3.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN………..…….21

3.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA………..….21

3.2.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA Y RANGOS DE CONFIABILIDAD PARA LAS CURVAS DE FATIGA………..………..21

3.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS SUPERFICIALES……….…………..26

3.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD……….………26

3.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL……….……….26

(5)

4

CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 28

4.1. COMPARACION DE LAS CURVAS DE FATIGA………..28

4.1.1. INFLUENCIA DEL DIAMETRO DE GRANALLA………..…………..28

4.1.2. INFLUENCIA DE LA PRESION……….29

4.1.3. INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD Y DE LA DUREZA SUPERFICIAL………30

4.1.4. INFLUENCIA DE LA ESTRUCRUTA INTERNA………..32

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES………..……….34

CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES………35

BIBLIOGRAFÍA……….……….36

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0 NOMENCLATURA

f = Fracción de Sut ( ’f)103 ciclos

̂

(7)

1 LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Datos para la determinación de Ka [1]……….………..………8

Tabla 2. Datos para la determinación de Ke [1]……….……….8

Tabla 3.Características de la Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19 [4]………..…………14

Tabla 4. Parámetros y niveles de control seleccionados para el proyecto. ……….19

Tabla 5. Resultados obtenidos por el método de Taguchi……….…………20

Tabla 6. Propiedades importantes en el comportamiento a fatiga, obtenidas por medio del ensayo a tensión………21

Tabla 7. Datos obtenidos por el método de Shigley. MATERIAL BASE………..21

(8)

2 LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Curvas S-N obtenidas del material base y después del shoot peening. Torres y Voorwald

(2001) [3]………..………..5

Ilustración 2. Curva S-N, con diferentes diámetros de granalla. Montufar (2013) [4]……….6

Ilustración 3. Fracción de resistencia a la fatiga f [1]………..……9

Ilustración 4. Contacto entre la esfera y la superficie del objeto a impactar [9]……….………..11

Ilustración 5. Esquema del modelo de Y.Xiang y Y.Liu [11]………..…………12

Ilustración 6. Geometría de la probeta a tensión bajo la norma ASTM A370 [12]………..13

Ilustración 7. Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19……….………..14

Ilustración 8. Diagrama de la máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19………15

Ilustración 9. Ejemplificación de la construcción de la curva S-N y si rango de confiabilidad [13]………..16

Ilustración 10. Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ-210 [15]………..…..17

Ilustración 11. Metalografía x100, Arriba a la izquierda (S110-80PSI); Arriba a la derecha (S110-120Psi); Abajo a la izquierda (S280-100Psi)………..……….…33

(9)

3 LISTA DE GRAFICAS

Grafica 1. Construcción de la gráfica de fatiga. MATERIAL BASE………..22

Grafica 2. Construcción de la gráfica de fatiga. S460- 100Psi……….23

Grafica 5. Construcción de la gráfica de fatiga. S110 - 120Psi……….……….25

Grafica 6. Construcción de la gráfica de fatiga. S110- 80Psi………..………25

Grafica 7. Datos obtenidos por medio de la prueba de rugosidad………26

Grafica 8. Datos obtenidos por medio de la prueba de dureza superficial……….26

Grafica 9. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE DIAMETRO DE GRANALLA……….27

Grafica 10. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE PRESION………..….27

Grafica 11. Comparación de curvas de fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA………..………28

Grafica 12. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA………..29

Grafica 13. Comparación curvas de fatiga. CAMBIO DE PRESION………..29

Grafica 14. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE PRESION………..………30

Grafica 15. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA………..………31

Grafica 16. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO DE PRESION………..………32

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4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

Algunos componentes que conforman un mecanismo pueden fallar bajo la presencia de esfuerzos estáticos, pero otros componentes pueden fallar bajo la presencia de esfuerzos fluctuantes, a dicha falla se le llama falla por fatiga. Generalmente, la aplicación de cargas estáticas sobre los materiales proporcionan suficiente tiempo para que las dislocaciones del material se propaguen de una forma casi controlada y esto genere una deformación plástica sobre el material antes de generar su fractura, gracias a esta deformación, es fácil de identificar la próxima falla del elemento y cambiarla antes de que se genere una fractura. Sin embargo, la aplicación de cargas fluctuantes sobre los materiales no proporcionan dicho tiempo para generar la deformación plástica, por ello, la fractura de los elementos se generan de forma abrupta y sin previo aviso, dando la posibilidad de generar graves accidentes en el momento de la falla del material [1]. Por ello es de suma importancia el estudio que se ha venido realizando sobre el efecto de fatiga y como se puede prevenir o mejorar el comportamiento de las piezas que se encuentran en presencia de dichos esfuerzos fluctuantes.

La falla que ocurre por medio de la fatiga presenta características diferentes a la que tiene una falla estática. La falla a fatiga empieza con el desplazamiento de las dislocaciones dentro del material generando la presencia de microgrietas situadas alrededor de los bordes de granos del material. Seguido a esto, los esfuerzos cíclicos propagan las microgrietas abriéndolas y cerrándolas periódicamente, generando que estas se conviertan en macrogrietas. Como última etapa, el material no puede resistir las cargas, y la fractura de material se genera incluso en presencia de esfuerzos por debajo de la resistencia a la fluencia del material [1]. La magnitud de esos esfuerzos tienen una gran dependencia de algunos factores como: Acabado superficial de los elementos, tamaño, temperatura y concentradores de esfuerzos entre otros.

Existen diferentes tratamientos y técnicas que pueden ayudar al aumento de la vida a fatiga de los materiales, todos ellos tienen como objetivo el generar esfuerzos dentro del material que eviten o restrinjan la propagación de las microgrietas. El granallado “shot peenig” es una de estas técnicas. El granallado es un proceso de trabajo en frio el cual generalmente en la industria es usado para la limpieza y preparación de superficies por medio de chorros abrasivos, pero su otra función es la de mejorar la resistencia de piezas metálicas que se encontraran en presencia de esfuerzos cíclicos. El granallado es un proceso en el cual se ataca con unas partículas metálicas, poliméricas o cerámicas, por medio de máquinas a chorro, la superficie de un material. A pesar de que la geometría de las partículas más usada en la industria es la esférica, estas partículas pueden tener otras geometrías dependiendo de lo que se desee realizar sobre el material. El aumento a la vida a fatiga de los materiales es generada gracias a que parte de la energía cinética con la que es impactada las esferas sobre el material es consumida por el material al que se impacta, esta absorción de energía es la que produce que se generen esfuerzos residuales en la superficie del material y obstaculiza la propagación de las grietas [2].

Actualmente, en la industria colombiana, esta técnica no es muy usada para generar el aumento de vida a fatiga de los materiales, esto se debe a que no se encuentra con una caracterización

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5 estándar y con un estudio previo sobre la influencia del granallado en la resistencia a fatiga. Por ello, es de gran interés el estudio de los parámetros involucrados en los procesos de granallado y el efecto de estos sobre el comportamiento a fatiga de los materiales.

1.1. ESTADO DEL ARTE

Hasta hoy, varios proyectos e investigaciones se han realizado para caracterizar como el proceso de granallado influye en la resistencia a la fatiga de varios materiales. Torres y Voorwald, en una investigación, mostraron cual era la influencia que la rugosidad tenía sobre el comportamiento a fatiga de un acero 4340, este acabado superficial fue generado por medio de un proceso de shot peening, en el cual se seleccionaban diferentes combinaciones de granalla y de presión de ataque para generar las diferentes rugosidades. Por medio de su investigación, Torres y Voorwald llegaron a las siguientes conclusiones: El proceso de granallado es un proceso óptimo para aumentar la resistencia a fatiga de los materiales; las probetas aumentan su vida a fatiga con el aumento de la rugosidad generada por medio del proceso de granallado, pero la rugosidad presenta una magnitud optima en la que probetas con rugosidades mayores a la óptima presentaran una disminución en la vida del elemento.

Ilustración 1. Curvas S-N obtenidas del material base y después del shoot peening. Torres y Voorwald (2001) [3].

En la ilustración 1 se muestra las curvas de (S) Esfuerzo- (N) Numero de ciclos que obtuvieron Torres y Voorwald en su investigación. En esta se compara las curvas obtenidas por medio de las pruebas de fatiga sobre las probetas con las diferentes rugosidades.

El estudiante de la Universidad de los Andes, Ramiro Sebastián Montufar, en su proyecto de grado trabajo en la caracterización de un acero 8620, en donde mostraba cual era la influencia del diámetro de granalla sobre el comportamiento a fatiga. En este proyecto, Ramiro Montufar genero el acabado superficial sobre las probetas de fatiga por medio del proceso de granallado, en el cual dejo constante la presión con la que se impactaría las esferas y vario el diámetro de granalla. Como conclusión de su proyecto se obtuvo lo siguiente: El shot peenig como tratamiento superficial mostro resultados a fatiga favorable, en donde se obtuvieron mejoras hasta del 16%; El diámetro de granalla utilizada parece no ser de gran influencia en el comportamiento a fatiga de los materiales [4].

(12)

6

Ilustración 2. Curva S-N, con diferentes diámetros de granalla. Montufar (2013) [4].

En la ilustración 2 se muestra las curvas de (S) Esfuerzo- (N) Numero de ciclos que obtuvo Montufar en su proyecto. En esta se compara las curvas obtenidas por medio de las pruebas de fatiga sobre las probetas con los diferentes diámetros de granalla.

En base en las investigaciones anteriormente mostradas, y con la intención de seguir con el estudio del shot peening como proceso para el aumento en la resistencia a fatiga de los materiales, es necesario determinar como otros parámetros que pueden ser controlados, en un proceso de granallado, influencian el comportamiento a fatiga de los materiales. Y aparte de esto, es necesario comprender que es lo que el proceso le genera a la estructura del material que genera tal comportamiento.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Determinar cómo los parámetros que pueden ser controlados en un proceso de granallado “Shot Peening”, afectan algunas propiedades mecánicas del acero SAE 8620 y en principal su comportamiento a fatiga. Esto con el fin de generar procesos adecuados, que nos ayuden a aumentar la vida a fatiga de los materiales por medio del proceso de granallado.

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Generar un diseño del experimento, el cual nos determine, en cuáles de los parámetro que pueden ser controlados en un proceso de granallado es mejor concentrar el análisis.

 Determinación de propiedades mecánicas influyentes en el comportamiento a fatiga del acero SAE 8620 por medio de ensayos de tensión bajo normas técnicas.

 Generar la construcción de curvas de esfuerzo – Número de ciclos bajo las normas técnicas, por medio de la realización de ensayos de fatiga para las probetas con y sin tratamiento superficial.

 Estudiar el efecto que genera el proceso de granallado sobre las probetas del acero SAE 8620. Esto por medio de caracterizar la dureza superficial, rugosidad y microestructura; de las probetas con y sin tratamiento superficial que serán usadas en los ensayos a fatiga, bajo normas técnicas ingenieriles.

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7 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA

El proyecto se realizó en diferentes etapas. Primero se investigó sobre un modelo que nos sirva como base y punto de comparación de nuestras pruebas de fatiga (método de Shigley), en el, determinamos cuales son las propiedades mecánicas que rigen el comportamiento a fatiga de los materiales (pruebas de tensión). Segundo se averiguo sobre los procesos de granallado en Colombia y que parámetros son controlados en el proceso, esto para determinar nuestros puntos de análisis. Tercero, se averiguo sobre un método probabilístico (método taguchi) que nos determine cuáles son las pruebas más adecuadas y cuantos especímenes se necesitan por prueba para obtener los mejores resultados y generar mejores análisis y conclusiones sobre el experimento. Como últimas etapas se tuvieron: La elaboración de las pruebas de fatiga y reconstrucción de las curvas de Esfuerzo- Numero de ciclos, y la elaboración de pruebas para caracterizar los diferentes tratamientos superficiales.

2.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO 2.1.1. MODELO DE SHIGLEY

Este modelo nos da una aproximación al comportamiento que tendría un material al estar bajo esfuerzos fluctuantes. Por medio de este modelo podremos identificar el número de ciclos que soportara un material antes de fallar, esto dependiendo de la magnitud del esfuerzo aplicado. Además también nos mostrara propiedades como el límite de resistencia a la fatiga, la cual representa el valor del esfuerzo mínimo que necesita un material para fallar a fatiga.

 Para determinar del límite de resistencia a fatiga se realiza lo siguiente:

Primero se determina el límite de resistencia para una muestra de viga rotativa, la cual está dada en base a la resistencia a la tensión del material (Determinada por pruebas de tensión).

[Ec.1]

Después de esto se utiliza los factores de Marín, los cuales modifican el límite de resistencia a fatiga de los materiales, esto se debe realizar puesto que la resistencia a fatiga de los materiales depende mucho de la geometría, acabados superficiales y diseño entre otros [1]. Con ello, la ecuación para determinar el límite de resistencia a fatiga es la siguiente:

Para la determinación de Ka se utiliza la ecuación 3, en donde los parámetros de a y b se encuentran en la tabla 1. En esta tabla se encuentran los factores modificadores de superficie generados por específicos procesos, pero ya que el proceso de granallado no se encuentra entre estos, es necesario de generar otro modelo en el que podamos encontrar este factor generado por el granallado.

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8

Tabla 1. Datos para la determinación de Ka [1].

Los factores de forma Kb para flexión y torsión pueden verse en la ecuación 4. Para cargas axiales el factor de forma toma el valor de 1. En esta ecuación se entra por medio del diámetro de la sección menor de la probeta.

[Ec. 4]

El factor de carga Kc hace referencia a la forma en la que fue aplicada la carga. Este factor se muestra en la ecuación 5.

[Ec. 5]

El factor de carga Ke hace referencia a la confiabilidad deseada en los datos. Este factor se muestra en la siguiente tabla. Para efectos de este proyecto se requerirá de una confiabilidad del 95%.

Tabla 2. Datos para la determinación de Ke [1].

En este proyecto, ya que se trabajó en un ambiente con temperatura y humedad controlada, se tomara Kd como 1. Además como la probeta no contiene muescas que generen concentradores de esfuerzo el factor Kf se tomaran también como 1.

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9  Para determinar del número de ciclos que resistirá el material antes de fallar a la

presencia de un esfuerzo especifico se realiza lo siguiente: Primero se determina f, por medio de la ilustración 3.

Ilustración 3. Fracción de resistencia a la fatiga f [1].

Seguido a esto, se determinan las constantes y por medio de las siguientes ecuaciones.

( )

Como último se utiliza la ecuación 8, en donde se encontrara la el esfuerzo que se necesita para hacer fallar el material a cierto número de ciclos.

2.1.2. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA

Para conocer sobre los parámetros que se usan y se manipulan en un proceso de granallado fue necesario de contactar algunas empresas que realizaran este tipo de procesos. Blasting Experts, es una de las únicas empresas de granallado en Bogotá que rigen sus procesos bajo normas técnicas. Por medio de esta empresa, se comprendió de una mejor forma en que consistía el proceso de granallado y se determinó nuestros parámetros de control para realizar los diferentes acabados superficiales sobre nuestras probetas.

Los parámetros que pueden ser controlados en un proceso de granallado son los siguientes:  Diferentes diámetros de granalla (Ver anexo 1)

 Diferentes tiempos de exposición de los materiales  Diferentes presiones con las que se impactaran la granalla

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10 Estos parámetros también dependen del tipo de máquina que se esté utilizando para generar el acabado superficial. Las diferentes maquinas se presentan en el los anexos 2 y 3 [5].

2.1.3. MÉTODO DE TAGUCHI

Luego de determinar cuáles son los parámetros que se van a controlar y manipular en el experimento, se requiere encontrar las mejores combinaciones de dichos parámetros, que nos permitan obtener los resultados más adecuados con el fin de generar buenos análisis y buenas conclusiones del experimento. Esto se necesita, para evitar el realizar pruebas con todas las posibles combinaciones entre los parámetros y encontrar específicas combinaciones que aún nos generen buenos resultados, puesto que generar pruebas con todas las combinaciones requerirá de mucho tiempo y presupuesto de nuestro proyecto.

El método Taguchi, desarrollado por Genichi Taguchi, es un método probabilístico que busca mejorar la calidad de procesos de manufactura. Este método requiere de una señal de entrada, la cual contendrá nuestros parámetros controlables del experimento, en nuestro caso, presión y diámetro de granalla. Además de esto, este método requiere de una señal de salida, la cual es un valor que depende directamente de los valores de nuestra señal de entrada. Esta señal de salida, son valores reales que se obtienen de especificas combinaciones entre los parámetros de entrada [6].

Por medio de estas señales, el método Taguchi realiza todas las posibles combinaciones entre todos los niveles de los parámetros de entrada y genera predicciones sobre cuáles serán los nuevos resultados a obtener. Este método tiene como finalidad el mostrar la relación que tiene las variables de entrada sobre una respuesta variable [7], lo cual nos permitirá identificar cuáles son las mejores combinaciones de nuestros parámetros de control para generar la mayor variabilidad entre los resultados y por medio de esto, obtener buenos análisis sobre el experimento.

Este método de Taguchi será implementado por medio del software MINITAB, el cual es una gran herramienta probabilística [8].

2.1.4. MODELO DE HERTZ

Ya que en el método Taguchi es necesario de suministrar una señal de salida la cual dependa de los parámetros de control, fue determinante el encontrar un modelo en el que estos parámetros se pudieran relacionar y nos generen dicha dependencia. Para esto, Se pensó sobre un factor modificador mostrado por Shigley como señal de salida, este nos mostraría como la presión y el diámetro de granalla nos modificaría el acabado superficial del material. Ya que el método de Shigley, ver sección 2.1.1, no contiene a el proceso de granallado en sus datos de factores modificadores de superficie, es necesario de construir un modelo el cual nos determine dicho factor modificador. Por ello, se decidió en usar el modelo de Hertz para construir ese factor modificador [9].

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11 El modelo de Hertz nos muestra cuales son las consecuencias que trae el impacto de una esfera sobre la geometría del objeto a impactar. En la aplicación del modelo de Hertz se asumen las siguientes suposiciones:

 La esfera impacta sobre una superficie totalmente plana.

 El contacto entre la esfera y la superficie a impactar se realiza con una condición de no fricción.

 La esfera no presenta deformación alguna después de su impacto sobre la superficie del material.

La ilustración 4, nos muestra como es la interacción que tiene la esfera con la superficie del material una vez existe contacto entre los dos objetos.

Ilustración 4. Contacto entre la esfera y la superficie del objeto a impactar [9].

Los parámetros que rigen el método de Hertz son los siguientes: ( ) El radio de contacto de las superficies, (p) presión en el área de contacto y (h) la profundidad de la muesca dejada por la penetración de la esfera.

[

]

En el caso en que el material de la esfera y el material a impactar presenten módulos de Young y Poisson similares (Con diferencias menores al 15%), la ecuación del radio de contacto se convierte en lo siguiente:

( ( )

)

(18)

12 ( ) √ √

( )

La profundidad de la muesca dejada por el impacto es determinado por la ecuación 12.

* ( )

+

⁄

Una vez obtenidos estos parámetros por medio del método de Hertz, implementan los modelos desarrollados por Y. Xiang y Y.Liu [11], esto con el fin de obtener el valor del factor modificador por superficie generado por el proceso de granallado.

Ilustración 5. Esquema del modelo de Y.Xiang y Y.Liu [11].

La ecuación que nos determina el valor del factor modificador generado por un proceso de granallado es el siguiente:

(

)

2.2. ETAPA EXPERIMENTAL

En la etapa del diseño del experimento se observó que el comportamiento a fatiga depende de ciertas propiedades del material, por lo que es necesaria la realización de pruebas para determinar el valor de estas propiedades. Una de estas propiedades es la resistencia a la tensión, ver sección 2.1.1, la cual se debe determinar por medio de un ensayo a tensión.

Además de esto, es necesario el realizar pruebas para caracterizar el comportamiento a fatiga del material con y sin tratamiento superficial, para esto realizaran pruebas a fatiga del material y posterior a ello se construirá la curva de Esfuerzo-Numero de ciclos por medio de la obtención de los datos experimentales.

Con el ánimo de comprender que efecto le genera el granallado sobre la superficie y la estructura del material, se necesitara caracterizar las probetas con y sin tratamiento superficial por medio de pruebas de dureza, rugosidad y metalografía.

Es de gran importancia el realizar todos los ensayos bajo normas técnicas, esto con el fin de poder generar una repetitividad y validez del experimento.

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13 2.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN

Por medio de este ensayo es posible conocer diferentes propiedades del material, entre estos están: Resistencia a la tensión, resistencia a la fractura, módulo de Young y tenacidad entre otros. Esta prueba es realizada bajo la norma técnica ASTM A370.

La prueba consiste en colocar la probeta en una maquina universal, la cual en este experimento es la INSTRON 5586, y aplicarle una carga axial. Para medir la elongación que va presentando la probeta a medida que se le está aplicando la carga estática se utiliza un extensómetro [12]. La geometría de la probeta depende de diferentes factores, unos de estos son la forma en la que vaya a ser sujetada la probeta en la máquina y del espacio entre las mordazas. En la ilustración 6, se muestra la geometría que se utilizara en estos ensayos y las dimensiones de la probeta son mostradas en el plano que se encuentra en el anexo 4. Las probetas fueron fabricadas en un torno CNC, ver código en el anexo 5.

Ilustración 6. Geometría de la probeta a tensión bajo la norma ASTM A370 [13].

Como resultado de esta prueba se obtiene una gráfica de esfuerzo-deformación en la que se evidenciara diferentes propiedades del material.

2.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA

Esta etapa es una de las más críticas del proyecto, puesto que por medio de esta se obtendrán los datos más importantes en el proyecto y en base a estos se realizaran todos los análisis y conclusiones del experimento, por esto, es fundamental que esta etapa se realice cuidadosamente y bajo normas técnicas.

La elaboración de las pruebas y las dimensiones de las probetas fueron realizadas bajo la norma ASTM E739 [14], dimensiones mostradas en el plano del anexo 6. Además, la fabricación de las probetas a fatiga fue realizadas por medio de un torno CNC, código mostrado en el anexo 7. Para la construcción de la gráfica S-N, fue necesario fallar el material con diferentes niveles de esfuerzo, esto para obtener diferentes números de ciclos de falla. Estos niveles de esfuerzo se

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14 aplicaban por medio de unas pesas las cuales eran localizadas en la esquina del brazo de la mordaza libre, ver ilustración 8.

2.2.2.1. MÁQUINA DE FATIGA

Las pruebas de fatiga fueron realizadas en la maquina Roating Wohler HSM 19, mostrada en la ilustración 7. Esta máquina consta de un contador, de un motor de 240 W , un contrapeso de 25 g y una polea en donde se colgara la carga.

Ilustración 7. Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19.

Las características de la maquina a fatiga se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 3.Características de la Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19 [4].

Máquina de Fatiga Voltaje [V] 110

Fase 1

Frecuencia [Hz] 60 Mode. No HSM 19 Corriente [Amp] 2 @ 110 V Potencia Max [W] 240

Ser. No 19/22 Vel angular [rpm] 5700

Rel. Contador 1:100

Las pruebas ejecutadas en esta maquina de fatiga, fueron realizadas unicamente bajo esfuerzos de flexión, en donde la carga se encontraba distanziada a 125 mm del centro de la probeta. Ver ilustracion 8.

(21)

15

Ilustración 8. Diagrama de la máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19 [4].

Para calcular el esfuerzo a flexión que actúa sobre la probeta se debe tener en cuenta el distanciamiento de la carga al punto medio de la probeta y el diámetro de la probeta en ese sitio.

2.2.2.2. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA

Después de la obtención de los datos para cada nivel de esfuerzos y cada tipo de tratamiento superficial, es necesario de implementar un método el cual nos construya las curvas de Esfuerzo- Numero de ciclos. El método que se va a implementar es el mostrado por la norma técnica ASTM E739-10, en la cual se usa el método de mínimos cuadrados para la construcción de la curva [14]. El modelo presenta la siguiente forma:

̅ ̂ ̂ ̅

( )

En donde las constantes ̂ y ̂se determinan de la siguiente manera: Cabe resaltar que n es el número de probetas falladas por espécimen.

̂ ∑ ̂∑ ∑ ∑ ̂

∑ ∑ ∑

̂ ∑ ̂ ∑ ∑ ̂

∑ ∑ ∑

Al reorganizar las ecuaciones y con base en las suposiciones mostradas en la norma, ver anexo 8, se obtiene la siguiente ecuación la cual nos permite construir la curva S-N:

( )

Donde

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16 La varianza de la distribución normal es determinada por la siguiente ecuación:

̂ ∑( ̅)

2.2.2.3. RANGOS DE CONFIABILIDAD PARA LAS CURVAS DE FATIGA

La norma ASTM E739-10 nos genera una construcción de la curva de fatiga con una confiabilidad del 95%, en donde nos asegura que solo el 5% de los datos obtenidos por medio de los ensayos de fatiga serán rechazados. En esta norma se pudo ver que el número mínimo de especímenes para obtener datos suficientes y poder construir una curva de Esfuerzo-Numero de ciclos confiable es de 15 puntos o pruebas, por lo que en el proyecto se trabajara con 20 pruebas para la construcción de la curva [14].

Para la construcción de las curvas de confiabilidad, ver ilustración 9, se seguirán los siguientes pasos [13]:

1. Se identificaran los niveles de esfuerzos en los que se realizara el análisis.

2. Se determina la constante Fp dependiendo del número de especímenes, ver anexo 8. 3. Se determinan los intervalos de confianza para cada nivel de esfuerzos.

4. Se determinan los nuevos valores de Y por medio de los intervalos de confianza y la varianza.

Ilustración 9. Ejemplificación de la construcción de la curva S-N y si rango de confiabilidad [14]

Los intervalos de confianza se determinan por medio de la siguiente ecuación:

√ * (

̅) ∑( ̅) +

⁄

Los nuevos valores de Y se determinan por medio de la siguiente ecuación:

̂ ̂ ̂

(23)

17 2.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS

SUPERFICIALES

Con el fin de caracterizar y ver cuál es el efecto que presenta el proceso de granallado sobre las probetas de acero SAE 8620, se prosiguió a realizar ensayos de dureza superficial, rugosidad y metalografía, todas estas bajo normas técnicas ASTM. Estas pruebas fueron realizadas para el material base (sin tratamiento superficial) y las probetas con los diferentes tratamientos, esto con el fin de tener puntos de comparación y realizar un mejor análisis de los resultados.

2.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD

En esta prueba se usó el equipo Mitutoyo Surftest SJ-210, ver ilustración 10. Esta prueba no tiene muchos requerimientos, lo único a tener en cuenta es que la superficie del objeto a analizar debe ser plana para poder ubicar el rugosimetro. El fundamento de realizar esta prueba vino al saber que el acabado superficial es un parámetro importante en el comportamiento a fatiga de los materiales, ver sección 2.1.1, y se quería ver si en el comportamiento generado por el proceso de granallado la rugosidad influía en gran medida a los resultados.

Ilustración 10. Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ-210 [15].

2.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL

Esta prueba nos determinara si el proceso de granallado nos genera un endurecimiento superficial o no y si este endurecimiento es de gran influencia en el comportamiento a fatiga obtenido en el proceso de granallado. Estas pruebas se realizaron bajo la norma ASTM E18 – 12 [16]. La norma recomienda que se realicen un número de cinco mediciones por cada espécimen que vaya a ser analizado, esto con la finalidad de generar un resultado confiable de la medición.

2.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA

Por medio de esta prueba queremos observar cuales son las características de la estructura interna del material a presencia de los diferentes procesos de granallado. Esta prueba se realizó bajo la norma técnica ASTM E1382 – 97, en donde se muestra cómo se va a hacer el análisis de los resultados y como debe hacer la preparación de las muestras [17].

(24)

18 La preparación de las muestras para la prueba de metalografía será la siguiente:

1. Corte transversal de las probetas a analizar. (Por medio de una cortadora con disco de

diamante).

2. Embebido y pulido de los cortes.

3. Ataque químico, Nital.

Se realizaron únicamente cortes transversales de las probetas puesto que al haber sido impactadas las esferas de granalla en dirección normal a la superficie de las probetas, la estructura de estas presentara su mayor deformación en la misma dirección.

Para comprender como es el cambio de la estructura entre la superficie del material y el centro, se realizaran diferentes puntos de análisis, uno en la superficie del material, otro en el centro de la probeta y otros distribuidos entre la superficie y el centro de la muestra.

(25)

19 CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

En este capítulo se mostraran los resultados obtenidos de las etapas del proyecto. Se empezara mostrando los resultados del proceso para diseñar el experimento, seguido de los resultados de la caracterización del material, continuando con los resultados de la prueba de fatiga y finalizando con los resultados de la caracterización del efecto del granallado sobre la superficie de las probetas.

3.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO

3.1.1. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA

Por medio de la investigación que se realizó sobre el proceso de granallado en la industria colombiana y con la información suministrada por la empresa Blasting Express, se encontró que los parámetros que pueden ser controlados en dicho proceso son los siguientes: Tiempo de exposición, diámetro granalla, presión de impacto y distancia de ataque.

Para el desarrollo del proyecto se descartó el tiempo de exposición y la distancia de ataque como parámetros en los que se centraría nuestra investigación. Esto debido a que el tiempo de exposición depende únicamente del área superficial del material y no tiene sentido el aumentar estos tiempos puesto que lo único que generaría seria aumentar el costo del proceso, por otro lado, la distancia de ataque no presenta grandes variaciones por el tamaño del reservorio en donde el proceso de granallado se lleva acabo. Por esto, nuestros parámetros de control se reducen a la presión con la que se impacta la granalla y el diámetro de esta.

En la industria, la presión con la que trabajan las máquinas de granallado varían entre 70 y150 psi, por lo que se decidió escoger 3 niveles en los que se variaran las presiones para el proyecto, se seleccionó una presión baja de 80 psi, otra intermedia de 100 psi y una máxima de 120 psi. Por otro lado, se encontró que los diámetros de granalla más usados en la industria están entre los 0.6 y 2 mm por lo que se seleccionaron diámetros de 0.6, 1.18 y 2 mm para realizar el análisis en el proyecto.

Tabla 4. Parámetros y niveles de control seleccionados para el proyecto.

3.1.2. MÉTODO DE TAGUCHI

Una vez obtenido los parámetros y niveles a utilizar en el proyecto, ver tabla 4, se procedió a usar el método Taguchi para determinar cuál de todas las combinaciones posibles nos generaba los mejores resultados.

(26)

20 A continuación se presentan los resultados obtenidos por medio del método Taguchi, e implementando el software Minitab.

Tabla 5. Resultados obtenidos por el método de Taguchi.

En la tabla 5, se puede evidenciar las siguientes señales: Presión y diámetro como señales de entrada; Ka*Kt como señal de resultado, en donde Ka fue obtenido por medio del método de Shigley, ver sección 2.1.1 y el Kt fue obtenido por el modelo de Hertz, ver sección 2.1.4; S/N Ratio como señal de salida la cual muestra la relación que existe entre la señal de salida y el ruido (factores no controlables). En esta última señal S se refiere al cambio en la señal de resultado bajo la combinación de unos parámetros de entrada y R se refiere al efecto de factores externos en la salida de la señal de resultado. Es por esto que entre mayor sea la relación de S/N, mejor será el resultado del experimento [7].

Con base en el resultado de Taguchi y al interés de determinar cómo nuestros parámetros de control afectan el comportamiento a fatiga de los materiales se llegó al siguiente diseño de nuestro experimento:

Para determinar la influencia del diámetro, se tomaran 60 probetas divididas en igual cantidad en la siguiente forma:

 20 con un tratamiento de: 100Psi y S110  20 con un tratamiento de: 100Psi y S280  20 con un tratamiento de: 100Psi y S460

Para la influencia de la presión se tomaran 60 probetas divididas de la siguiente forma:  20 con un tratamiento de: 80Psi y S110

 20 con un tratamiento de: 100Psi y S110  20 con un tratamiento de: 120Psi y S110

(27)

21 3.2. ETAPA EXPERIMENTAL

3.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN

En la tabla 6, se muestran los datos obtenidos por medio del ensayo a tensión de resistencia a la tensión y resistencia ultima del material. La construcción de las curvas de Esfuerzo-Deformación para cada probeta fallada se encuentra en el anexo 9.

Tabla 6. Propiedades importantes en el comportamiento a fatiga, obtenidas por medio del ensayo a tensión.

3.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA

3.2.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA Y RANGOS DE CONFIABILIDAD

Se realizaron los ensayos para los diferentes tratamientos superficiales y para el material base. En este ensayo se fallaron 20 probetas por cada análisis de tratamiento superficial y se variaron las pesas para ejercer diferentes esfuerzos flectores sobre el material y poder obtener una variedad de puntos para la construcción de las curvas de fatiga. Los datos de las pruebas se encuentran en los anexos 10-15.

Para corroborar si el método de mínimos cuadrados es un método adecuado para la construcción de las curvas de fatiga se realizó una comparación entre el método de Shigley, ver sección 2.1.1 y el método de mínimos cuadrados (MMC), ver sección 2.2.2.1 cuyo resultado se observa en las tablas 7 y 8. Esta comparación se desarrolló con los datos obtenidos de la prueba de fatiga para las probetas del MATERIAL BASE.

Tabla 7. Datos obtenidos por el método de Shigley. MATERIAL BASE

Método Shigley

f 0,9

Sut [Mpa] 543 S´e [Mpa] 271,5

Ka 0,9

Kb 1,07

Kc 1

Se [Mpa] 246,95 a [Mpa] 967,10

(28)

22 Por medio de los datos obtenidos en el método de Shigley se pudo construir la siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga, ver gráfica 1:

( ) ( )

Tabla 8. Datos obtenidos por el método de mínimos cuadrados. MATERIAL BASE

Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para un tratamiento sin granallado, ver gráfica 1:

( ) ( )

Grafica 1. Construcción de la gráfica de fatiga. MATERIAL BASE.

Por medio de la gráfica 1, se puede evidenciar que efectivamente el método de mínimos cuadrados es una buena aproximación del comportamiento a fatiga descrito por el método de Shigley, puesto que entre estos dos, no se presentaron diferencias mayores al 5%, lo cual es una aproximación que se considerara aceptable.

MMC

A 32,169

B -10,625

b -0,094

S´f [Mpa] 1065,745 s (Desv.Est) 0,344

(29)

23 Las líneas de confiabilidad (ASTM E739+, ASTM E739-) mostradas en la gráfica 1, fueron construidas por medio de la norma descrita en la sección 2.2.2.3. Estas líneas nos están mostrando que la construcción de la curva de fatiga por medio del método de mínimos cuadrados nos toma el 95% de los datos lo cual nos asegura que la curva es una buena aproximación al comportamiento a fatiga mostrado por los datos.

Por lo anterior, se prosiguió a usar el método de mínimos cuadrados para la construcción de las curvas a fatiga de los experimentos restantes. Los resultados de estos se muestran a continuación (Los datos obtenidos por el método de mínimos cuadrados y los datos que describen las curvas de confiabilidad de los tratamientos superficiales se encuentran en los anexos 10-15):

Grafica 2. Construcción de la gráfica de fatiga. S460- 100Psi.

Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para el tratamiento S460-100Psi, ver gráfica 2:

(30)

24

( ) ( )

(31)

25

Grafica 5. Construcción de la gráfica de fatiga. S110 - 120Psi.

( ) ( )

(32)

26 3.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS

SUPERFICIALES

3.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD

Por medio de esta prueba se pudo observar que la rugosidad es un parámetro que depende del diámetro de la granalla y no tanto de la presión con la que la granalla se esté impactando. En la gráfica 7, este efecto se puede evidenciar de una manera más clara. (Para ver los datos obtenidos dirigirse al anexo 16).

Grafica 7. Datos obtenidos por medio de la prueba de rugosidad.

3.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL

Por medio de esta prueba se pudo observar que la dureza es un parámetro que depende de la presión con la que la granalla se esté impactando y no tanto del diámetro de la granalla usado. Sin embargo el aumento en la presión de granalla no aumenta drásticamente el valor de la dureza superficial. En la gráfica 8, este efecto se puede evidenciar de una manera más clara. (Para ver los datos obtenidos dirigirse al anexo 16).

Grafica 8. Datos obtenidos por medio de la prueba de dureza superficial.

0 20 40 60 80 100 120

Sin

tratamiento

S110 - 80 Psi S110 - 100 Psi S110 - 120 Psi S280 - 100 Psi S460 - 100 Psi

D u re za Ro ck we ll B

(33)

27 3.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA

Los datos y graficas que se obtuvieron de este ensayo se encuentran en el anexo 17. Las gráficas 9 y 10, nos muestran las mediciones del área de los granos a diferentes profundidades de las muestras. Por medio de estas graficas se puede ver que el proceso de granallado genera una reducción en el área de los granos, pero se evidencia que con el cambio del diámetro de la granalla el área de los granos no presenta grandes modificaciones, sin embargo, se puede evidenciar que con el cambio de presión de impacto de la granalla, si se presenta un gran cambio en el área de los granos además que este cambio perdura a mayores profundidades en el material a medida que la presión aumenta.

Grafica 9. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE DIAMETRO DE GRANALLA.

Grafica 10. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE PRESION. 0 100 200 300 400 500 600

S460 - 100 Psi S280 - 100 Psi S110 - 100 Psi Sin tratamiento superficial A re a d e los g ra n os ( μ m ^2 )

Medicion del area de los granos, a diferentes profundidades de las muestras

Borde

A 0.5 mm del borde Centro 0 100 200 300 400 500 600

S110 - 100 Psi S110 - 80 Psi S110 - 120 Psi Sin tratamiento superficial A re a d e los g ra n os ( μ m ^2 )

Medicion del area de los granos, a diferentes profundidades de las muestras

Borde

A 0.5 mm del borde Centro

(34)

28 CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1. COMPARACION DE LAS CURVAS DE FATIGA 4.1.1. INFLUENCIA DEL DIAMETRO DE GRANALLA

En la gráfica 11, se hace la comparación de las curvas a fatiga obtenidas para los procesos a los que se les vario únicamente el diámetro de la granalla. Por medio de esta grafica se pudo evidenciar que el proceso de granallado aumenta la vida a fatiga de los metales, pero que el diámetro de la granalla no tiene gran influencia sobre dicho comportamiento.

Grafica 11. Comparación de curvas de fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA.

La grafica 12 muestra el aumento de la vida a fatiga a diferentes ciclos (respecto al comportamiento obtenido por el material base), alcanzado por medio de los procesos en donde se varió únicamente el diámetro de la granalla. En esta grafica se puede evidenciar que el aumento máximo que se pudo obtener por medio de estos procesos fueron del 6.3%, además, se puede ver que todos los procesos estuvieron cerca del mismo rango en el aumento a fatiga con lo cual se muestra que los cambios de diámetro de granalla no generan grandes cambios en el comportamiento a fatiga del material.

250 300 350 400 450 500 550

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Sa

[MP

a]

Numero de ciclos

Ensayo Fatiga (Cambio en el diametro granalla)

Sin granalla S460 - 100 Psi S280 - 100 Psi S110 - 100 Psi

(35)

29

Grafica 12. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA.

4.1.2. INFLUENCIA DE LA PRESION

En la gráfica 13, se hace la comparación de las curvas a fatiga obtenidas para los procesos a los que se les vario únicamente la presión con la que se impacta la granalla. Por medio de esta grafica también se evidencio que el proceso de granallado aumenta la vida a fatiga de los metales, además se observa la presión tiene una gran influencia sobre dicho comportamiento.

Grafica 13. Comparación curvas de fatiga. CAMBIO DE PRESION. 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7%

5,E+03 1,E+04 5,E+04 1,E+05 5,E+05

M e jor a re sp e ct o a la s m u e st ra s si n t ra ta m ie n to su p e rf ici al

Aumento de la vida a Fatiga (Cambio en el diametro granalla)

S460 - 100 Psi

S280 - 100 Psi

S110 - 100 Psi

250 300 350 400 450 500 550

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Sa

[MP

a]

Numero de ciclos

Ensayo Fatiga (Cambio en la presion)

Sin granalla S110 -100 Psi S110 -120 Psi S110 -80 Psi

(36)

30 La grafica 14 muestra el aumento de la vida a fatiga a diferentes ciclos (respecto al comportamiento obtenido por el material base), alcanzado por medio de los procesos en donde se varió únicamente la presión de impacto. En esta grafica se puede evidenciar que el aumento máximo que se pudo obtener por medio de estos procesos fueron del 10.1% lo cual es un alto porcentaje, además, se puede ver que no todos los procesos estuvieron alrededor de un mismo rango en la mejora a fatiga, por lo cual se evidencia la gran influencia de la presión en el comportamiento a fatiga generado por el proceso de granallado.

Grafica 14. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE PRESION.

Lo más importante que se observó por medio de este análisis es que la presión no solo tiene una gran influencia sobre la vida a fatiga del material, sino que la presión presenta un punto óptimo (en este caso de 80 Psi) en el que al aplicar presiones por encima de este punto óptimo, la vida a fatiga del material ya no aumenta sino que empieza a disminuir. Por este análisis es que fue de gran importancia el generar una caracterización del proceso de granallado y lograr entender a qué se debe este comportamiento.

4.1.3. INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD Y LA DUREZA SUPERFICIAL

Las gráficas 15 y 16 son las mismas graficas 13 y 14 en donde se hace la comparación de las curvas a fatiga obtenidas para los diferentes procesos, pero con la única diferencia en que en estas se le agregaron los parámetros de rugosidad y dureza para poder observar fácilmente la influencia de estos parámetros sobre el comportamiento a fatiga generado por el granallado.

0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%

5,E+03 1,E+04 5,E+04 1,E+05 5,E+05

M e jor a re sp e ct o a la s m u e st ra s si n t ra ta m ie n to su p e rf ici al

Aumento de la vida a fatiga (Cambio en la presion de granalla)

S110 - 100 Psi

S110 - 120 Psi

(37)

31

Grafica 15. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA.

Ya que la rugosidad de las probetas depende del diámetro de granalla usado, se realizó el análisis de este parámetro sobre la gráfica del comportamiento a fatiga del material en los procesos con cambio de diámetro de granalla, grafica 15. En esta se pudo evidenciar que la rugosidad no presenta gran influencia sobre el comportamiento a fatiga generado por el proceso de granallado, lo cual quiere decir que no al generar mayores rugosidades sobre el material este fallara más rápido que uno con una rugosidad menor.

250 300 350 400 450 500 550

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Sa

[MP

a]

Ensayo Fatiga (Cambio en el diametro granalla)

Sin granalla; Ra (0,6 m) ; 81 Rockwell B

S460 - 100 Psi; Ra (8,5m); 83 Rockwell B

S280 - 100 Psi; Ra (7,4 m); 86 Rockwell B

(38)

32

Grafica 16. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO DE PRESION.

Por otro lado, ya que la dureza superficial de las probetas depende del diámetro de la presión de impacto usada, se realizó el análisis de este parámetro sobre la gráfica del comportamiento a fatiga del material en los procesos con cambio de presión, grafica 16. En esta se pudo evidenciar que la dureza no presenta gran influencia sobre el comportamiento a fatiga generado por el proceso de granallado, lo cual quiere decir que no necesariamente al generar menores durezas superficiales sobre el material este fallara más rápido que uno con una dureza mayor.

4.1.4. INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA INTERNA

En esta parte del análisis se busca comprender que efecto tiene el proceso de granallado sobre el comportamiento a fatiga de los materiales. Por medio de los resultados obtenidos por la prueba de metalografía (anexo 17), se puedo evidenciar los siguientes hechos:

 La reducción en el área de los granos es mayor en los granos que presentan la fase de ferrita que los de perlita.

 La reducción en el área de los granos para los procesos en donde se modificó únicamente el diámetro de la granalla no presentan grandes diferencias entre ellos.

 La reducción en el área de los granos para los procesos en donde se modificó únicamente la presión con la que se impacta la granalla presentan grandes diferencias.

 La profundidad de reducción en el área de los granos para los procesos en donde se modificó únicamente el diámetro de la granalla no son altas.

250 300 350 400 450 500 550

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Sa

[MP

a]

Numero de ciclos

Ensayo Fatiga (Cambio en la presion)

Sin granalla; Ra (0,6 m); 81 Rockwell B

(39)

33  La profundidad de reducción en el área de los granos para los procesos en donde se modificó únicamente la presión con la que se impacta la granalla varían mucho entre ellas (ver ilustración 11). Para presiones de 80 Psi, la reducción del área se presenta únicamente en la superficie del material, sin embargo, para presiones de 100 Psi la profundidad de la reducción del área esta alrededor de 1 mm, y para presiones de 120 Psi la profundidad de la reducción del área esta alrededor de 2 mm, lo cual es el radio la distancia entre la superficie y el centro de la probeta.

Ilustración 11. Metalografía x100, Arriba a la izquierda (S110-80PSI); Arriba a la derecha (S110-120Psi); Abajo a la izquierda (S280-100Psi)

Por medio de estos analices fue posible de intuir que a bajas presiones el proceso de granallado genera una compactación de los granos lo cual produce un endurecimiento superficial (con una matriz tenaz) y esto no permite que los esfuerzos aplicados sobre las probetas generen una propagación de las dislocaciones y grietas del material lo cual genera un aumento en la vida a fatiga del material.

Sin embargo, si se aumenta la presión con la que se impacta la granalla y esta genera que la reducción en el área de los granos se encuentra a grandes profundidades del material (aumento de su dureza y disminución de su área tenaz), el material se comportara de una forma más frágil y su vida a fatiga tendera a disminuir. Esto explica que las condiciones en las cuales se obtendrá la mejor resistencia a la fractura, en nuestro experimento, sea a condiciones de baja presión (80 Psi), además también muestra que la rugosidad y el diámetro de granalla no presentan gran importancia en los resultados.

(40)

34 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES

 El modelo de Hertz nos suministró un modelo que nos genera una buena predicción del factor modificados para procesos de granallado, sin embargo, el modelo está bajo muchas suposiciones lo cual no lo hace replicable para ser usados en otro tipo de procesos o con el uso de diferentes geometrías de la granalla.

 El cambio de diámetro de granalla no es un parámetro que tenga gran influencia sobre el comportamiento a fatiga del material. El diámetro únicamente nos genera una mayor o menor rugosidad en la superficie del material.

 El cambio en la presión con la que se impacta las esferas de granalla es un parámetro que presenta una gran influencia sobre el comportamiento a fatiga del material. Además el cambio en la presión de la granalla presenta un punto óptimo para generar un aumento en la vida a la fatiga, en donde a mayores presiones sobre este punto óptimo la vida a fatiga del material disminuirá.

 El aumento máximo en la vida a fatiga del material que se pudo obtener por medio de los procesos en los que se cambiaron el diámetro de granalla fue del 6.3%, sin embargo el aumento máximo que se obtuvo por el cambio en la presión fue del 10.2%.

 A pesar que la rugosidad y la dureza superficial son factores que pueden modificar la vida a fatiga de los materiales, estos no son parámetros que influencian el comportamiento que genera el granallado sobre la resistencia a fatiga. Los parámetros que lo rigen, es la profundidad de la reducción del área de los granos y la dureza del material.

 A bajas presiones el proceso de granallado genera una compactación de los granos lo cual produce un endurecimiento superficial (con una matriz tenaz) y esto no permite que los esfuerzos aplicados sobre las probetas generen una propagación de las dislocaciones y grietas del material lo cual genera un aumento en la vida a fatiga del material. Sin embargo, si se aumenta la presión con la que se impacta la granalla y esta genera que la reducción en el área de los granos se encuentra a grandes profundidades del material (aumento de su dureza y disminución de su área tenaz), el material se comportara de una forma más frágil y su vida a fatiga tendera a disminuir.

(41)

35 CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES

 Es muy importante realizar una revisión previa de la máquina de fatiga y de sus componentes en especial de las mordazas puesto que estas no pueden permitir que la probeta se llegue a deslizar ya que esto modificaría bastante los resultados, además es muy importante que las dimensiones de las probetas sean muy exactas, puesto que la respuesta del ensayo de fatiga es muy sensible a los cambios en la experimentación.  Es de gran importancia que se realicen ensayos previos en la máquina de fatiga, esto con

el fin de familiarizarse con la máquina y de poder solucionar problemas que se presenten con los componentes de esta.

 Para obtener un acabado superficial más homogéneo por medio del proceso de granallado, se puede usar una máquina de turbina, esta homogeneidad podría mejorar los resultados en la experimentación y aseguraría que toda la superficie de la probeta fuese expuesta por el mismo periodo de tiempo.

 Al momento de manufacturar las probetas es muy importante que el material base de estas haya sido adquirido de la misma empresa y del mismo lote, esto con el fin de asegurar la calidad del material y de sus propiedades.

 Si se desea realizar pruebas en donde se le aplique una carga mayor a los 30 N, es recomendable el uso de una maquina más robusta , puesto que es posible que la potencia pico que se requiera del motor sea muy alta y esto genere vibraciones de la probeta o que no gire el motor.

 Para obtener resultados más confiables se podría aumentar el número de probetas a fallar puesto que a pesar de que 20 probetas generan buenos resultados con un número mayor de probetas la curva de fatiga puede acoplarse mejor a los datos reales y de esta forma obtener mejores análisis sobre el experimento ya que las curvas proporcionan los análisis más importantes.

 Para poder obtener una mejor conclusión respecto al efecto de la presión sobre el comportamiento a fatiga de los materiales es deseable tener una mayor variedad de experimento modificando la presión aplicada, esto para construir un rango de presiones óptimas.

(42)

36 BIBLIOGRAFÍA:

[1] Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. 2011, novena edición. McGRAW – HILL/ INTERAMERICANA EDITORES.

[2] A. Nakonieczny, Effect of shot peening on fatigue life of machine elements. Institude of precision mechanics, warsaw, Poland. Rescatado el 24 de Febrero del 2014 de la página web: http://www.shotpeener.com/library/pdf/1981083.pdf

[3] M.A.S Torres, H.J.C. Voorwald. An evaluation of shot peening, residual stress and stress

relaxation on the fatigue life of ASIS 4340. State University of Sao Paulo, Brazil. 2001.

[4] Ramiro Montufar., & Mateus Sandoval, L. (2013). Caracterización de SAE 8620 a fatiga con distintos acabados superficiales comunes en la industria colombiana / Ramiro Montufar; director:

Luis Mario Mateus Sandoval. Bogotá: Universidad de los andes, 2013.

[5] Blasting Experts. Características y especificaciones del proceso de granallado. Rescatado el 21 de Febrero del 2014 de la página Web: http://www.blastingexperts.com/

[6] E.V. Ramana, Ravinder Reddy. Optimization of shot peening process parameters using Taguchi approach and validation by data mining. Shadan College of Engineering & Technology, India, 2013. [7] MINITAB User’s Guide 2. Taguchi Designs. Rescatado el 5 de Marzo del 2014 de la página Web: http://qlab.ielm.ust.hk/sixsigma/download/DOE/24.%20Taguchi%20Design.pdf

[8] MINITAB 16 Software.

[9] Volker Schulze. Characteristics of surface layers produced by shot peening. Universitat Karlsruhe, Germany, 2009.

[10] Ervin AMASTEEL. S.A.E. Specifications for shot and grit screenings. ASTM-11and ISO 565 Test sieves.

[11] Y. Xiang and Y. Liu. Mechanism modeling of shot peening effect on fatigue life prediction. Clarkson University, USA, 2011.

[12] Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé, Ciencia e ingeniería de los materiales. 2004, cuarta edición. INTERNATIONAL THOMSON.

[13] ASTM A370 - 13. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products.

[14] ASTM E739 - 10. Standard practice for, Statistical Analysis of linear or linearized Stress-life

(S-N) and Strain-Life (ε-N) Fatigue Data.

[15] Catalogo Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ-210 , Rescatado el 1 de Mayo del 2014 de la página web: http://www.mitutoyo.com.br/site/folhetos/pdf/novos/E4388_SJ-210.pdf.

(43)

37 [16] ASTM E18 - 12. Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials.

[17] ASTM E1382 - 97. Standard Test Methods for Determining Average Grain Size Using Semiautomatic and Automatic Image Analysis.

(44)

38 ANEXOS:

(45)

(46)

40 Anexo 2. Máquina de turbina. Cortesía de Blasting Experts.

(47)

41 Anexo 3. Máquina de chorro manual. Cortesía de Blasting Experts.

(48)

42 Anexo 4. Plano de la probeta usada en el ensayo de tensión.

(49)

43 Anexo 5. Código de fabricación de la probeta usada en el ensayo de tensión por medio del torno CNC.

(50)

44 Anexo 6. Plano de la probeta usada en el ensayo de fatiga.

(51)

45 Anexo 7. Código de fabricación de la probeta usada en el ensayo de fatiga por medio del torno CNC.

(52)

46 Anexo 8. Construcción de las curvas S-N y líneas de confiabilidad. Norma ASTM E739-10

(53)

(54)

(55)

49 Anexo 9. Construcción de la gráfica Esfuerzo-Deformación. Prueba de tensión.