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Influencia del Mecanizado de Entallas sobre la Topografía de Daño por Hidrógeno en Acero Perlíticos Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)

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INFLUENCIA DEL MECANIZADO DE ENTALLAS SOBRE LA TOPOGRAFÍA DE DAÑO POR HIDRÓGENO EN ACERO PERLÍTICOS

D. Vergara*, F.J. Ayaso, M. Lorenzo y J. Toribio

Grupo de Fractura de Materiales e Integridad Estructural de la Universidad de Salamanca (GFMIE-USAL) Universidad de Salamanca, E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo 33, 49022 Zamora, España.

*Correo-e: dvergara@usal.es

RESUMEN

La fractografía denominada en inglés tearing topography surface (TTS) presenta tres tipologías diferentes: TTS orientada, TTS no orientada y cuasi-CMH (coalescencia de micro-huecos). Este artículo es consistente con la existencia de estas tres topografías y, además, explica por qué aparece una orientación preferente de la TTS en ciertas situaciones.

Para ello se ha analizado la influencia del proceso de mecanizado de entallas en el aspecto de la TTS. Los resultados confirman que la fractografía TTS orientada no es una tipología de fractura per se, sino la apariencia que adopta la TTS en ciertas zonas en las que la microestructura tiene una orientación preferente, debida a un proceso de mecanizado.

ABSTRACT

The fractography called tearing topography surface (TTS) shows three different typologies: oriented TTS, non-oriented TTS and quasi-MVC (micro-void coalescence). This article is consistent with the existence of these three topographies, and, going further, in this paper the reason why TTS presents a preferential orientation in same occasions is also suggested. To this end, the influence of notch machining process in the TTS aspect was analyzed. The results prove that oriented TTS fractography is not a fracture typology per se, but the appearance that TTS exhibits in certain zones where the microstructure has a preferential orientation, due to a machining process.

PALABRAS CLAVE: tearing topography surface, TTS orientada, mecanizado.

1. INTRODUCCIÓN

Los aceros perlíticos, ampliamente usados en el mundo ingenieril, pueden ver seriamente deterioradas sus propiedades mecánicas debido a la presencia de hidrógeno [1-3]. De hecho, este elemento químico influye negativamente sobre la integridad estructural de las construcciones realizadas con estos aceros, ya que al favorecer que el material alcance su estado crítico de rotura antes de lo previsto se puede producir una rotura inesperada que, dependiendo de la magnitud de la construcción, puede ser realmente catastrófica [4,5].

Debido a esto, el estudio del efecto de este elemento químico sobre los aceros es un tema de creciente interés tecnológico y en el campo de la fractura de materiales e integridad estructural.

Si este tipo de material se somete a ambientes de hidrógeno, aparece el fenómeno denominado fisuración asistida por hidrógeno (FAH). La superficie de fractura que se genera en el material si éste alcanza un estado crítico de rotura suele presentar una fractografía típica formada por microdesgarros dúctiles bastante planos y con orientación en la dirección principal del avance de

la fisura. Esta tipología de fractura ya ha sido reconocida en estudios previos en ambiente inerte, denominándose en inglés tearing topography surface o TTS [6-8], aunque fue posteriormente cuando se estableció que también estaba vinculada al microdaño asistido por el hidrógeno en el interior del material [9].

Por lo tanto esta fractografía no es exclusiva de la presencia de hidrógeno, sino que se puede encontrar también en ambientes totalmente inocuos. De hecho, en estudios recientes se ha podido comprobar que en ambiente inerte el cambio brusco de carga puede producir una zona cuya fractografía de iniciación de fatiga es consistente con la TTS [10].

Independientemente del ambiente en el que se forme la superficie de fractura, la apariencia de la fractografía TTS puede verse afectada por la anisotropía microestructural –provocada en los aceros perlíticos durante el proceso trefilado– ya que la superficie de fractura tiende a formarse en la misma dirección que el proceso de fabricación mecánica [2,3]. De todos modos, la influencia de esta anisotropía no siempre es suficiente para conseguir desviar la superficie de fractura hacia la dirección señalada, formándose entonces en un plano

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transversal a la dirección de solicitación. Existen estudios previos que han analizado estas situaciones en las que la superficie de fractura no se desvía del plano transversal, tanto en probetas prefisuradas [2] como en probetas entalladas [11], comprobándose que el hidrógeno favorece el efecto que la anisotropía microestructural del material pueda ejercer sobre la superficie de fractura de éste.

Teniendo en cuenta que la cantidad de hidrógeno que se hubiera podido introducir en el material está vinculada directamente con la superficie con fractografía TTS [12], se ha confirmado en estudios previos que existe una evolución geométrica de las zonas con dicha fractografía en relación al tiempo de exposición al hidrógeno [13]. Por otro lado, las tensiones residuales, que en los aceros perlíticos son generadas durante el proceso de fabricación [14], pueden ser consideradas como algo intrínseco del material y van a estar íntimamente ligadas con las propiedades finales de éste.

Este es el motivo por el que éstas son consideradas también un factor que afecta con relativa importancia a la difusión de hidrógeno [15-19], llegando incluso a ser beneficiosas si son de compresión ya que, al frenar la entrada de hidrógeno hacia el interior del material, benefician la integridad estructural de éste al reducir la susceptibilidad a los procesos de FAH [20]. De esta manera se ha comprobado que existe una clara influencia de las tensiones residuales en la evolución geométrica de la zona TTS con el tiempo de exposición al hidrógeno [21], adoptando la zona TTS una forma semielíptica si existen tensiones residuales de tracción en esa zona antes de la rotura y semicircular si el material está libre de tensiones.

El proceso de formación de la TTS en probetas de acero perlítico sometidas a ambientes con hidrógeno ha sido ampliamente estudiado, diferenciándose dentro de la zona de proceso de fractura (ZPF) tres tipologías diferentes de esta fractografía [22]:

TTS no orientada o simplemente TTS: topografía de desgarro asociada a la presencia de hidrógeno (ambiente de FAH), aunque también se puede encontrar en otras situaciones, tal como se indicó en párrafos anteriores.

TTS orientada: topografía TTS que presenta una orientación preferente, pareciendo que durante la etapa de formación de esta fractografía el hidrógeno se difundió por ciertas trayectorias no aleatorias.

Cuasi-CMH (cuasi- coalescencia de microhuecos):

aspecto fractográfico previo a la formación de la TTS, i.e., la topografía cuasi-CMH tiende a convertirse en TTS a medida que la concentración de hidrógeno aumenta en la zona analizada.

A pesar de que en estudios posteriores al anterior se

aún ningún estudio que haya aclarado por qué la TTS presenta en ciertas situaciones una dirección preferente, indicando una orientación de crecimiento previamente establecida. Esta cuestión es precisamente la que pretende esclarecer este artículo, basándose para ello en ensayos de fractura realizados con alambres entallados de acero perlítico trefilado sometidos a FAH.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Los materiales empleados para este estudio han sido aceros eutectoides o perlíticos (Tabla 1) que proceden de una cadena de trefilado. Por lo tanto se ha trabajado tanto con el alambrón perlítico, estado previo al proceso de conformación mecánica en frío, como con cada uno de los siguientes estados del material dentro de la cadena de producción, hasta llegar al producto comercial o alambre de pretensado, producto final después de sufrir 6 pasos de trefilado. La diferencia fundamental entre estos aceros es que a medida que el material es trefilado su microestructura se va orientando en la dirección del procesado, i.e., la anisotropía microestructural aumenta según sea el número de pasos de trefilado sufridos por el acero [2, 24-27].

Tabla 1.Composición química del acero analizado

% C % Mn % Si % P % S % Al % Cr % V 0.80 0.69 0.23 0.012 0.009 0.004 0.265 0.06

Para elaborar este estudio se ha trabajado con alambres entallados, sometiéndolos a ensayos de tracción a velocidad de extensión constante (TVEC) hasta rotura en ambiente catódico de FAH. Los materiales empleados han sido cada uno de los aceros comentados en el apartado anterior. Se han empleado cuatro tipologías diferentes de entalla, denominadas A, B, C y D, con características distintas respecto al radio de curvatura en el fondo de entalla (R) y a la profundidad de entalla (A). Para establecer una geometría similar para todos los aceros, independientemente del grado de trefilado sufrido, se han mantenido constantes las relaciones de estos parámetros con el diámetro del alambre (∅), i.e., A/∅ y R/∅. La Figura 1 presenta un esquema de los criterios seguidos para establecer la geometría de las entallas estudiadas.

Para ejecutar los ensayos TVEC realizados con estas probetas se han empleado dos velocidades de solicitación distintas, 0.001 mm/min y 0.01 mm/min, siendo la primera de ellas la más lenta que se puede aplicar en la máquina universal con la que se ha trabajado. Se ha denominado velocidad tipo 1 a la correspondiente a 0.001 mm/min y tipo 2 a la otra, 0.01 mm/min. Estas velocidades son adecuadas para que el hidrógeno pueda difundirse hacia el interior del material, de forma que el fenómeno de fractura en régimen catódico (FAH) se produzca debido a un estado de concentración crítica de hidrógeno [28,29]. El

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electro-química en la que se introdujo una disolución saturada de Ca(OH)2 con 0.1 g/l de NaCl (pH 12.5), estando a su vez conectada a un potenciostato que mantuvo un potencial de -1200 mV ECS durante la ejecución de los ensayos. El potencial electroquímico que se ha elegido para la realización de este trabajo queda justificado en estudios previos realizados con materiales muy parecidos a los estudiados aquí [1]. En éstos se manifiesta que el valor de -1200 mV con respecto al electrodo de calomelanos saturado (ECS) junto al pH de 12.5 aporta unas condiciones electroquímicas que favorecen el fenómeno de fragilización por hidrógeno en los aceros eutectoides o perlíticos –justamente el fenómeno que está vinculado a la aparición de TTS en la superficie de fractura [9]–.

B D

A C

0.40 0.05

0.03 0.30

0.10

R/∅

A/∅

B D

A C

0.40 0.05

0.03 0.30

0.10

R/∅

A/∅

B D

A C

0.40 0.05

0.03 0.30

0.10

B D

A C

0.40 0.05

0.03

B D

A C

B D

A C

0.40 0.05

0.030.05 0.40

0.03 0.30

0.10 0.30

0.10

R/∅

A/∅

z

∅/2

A

r

R ξ

d/2 z

∅/2

A

r

R ξ

z

∅/2

A

r R

z

∅/2

A

r

R ξ

d/2

Figura 1. Esquema y geometría de las entallas estudiadas.

La nomenclatura que se ha utilizado en este estudio consta de varias partes: un número que indica el grado de trefilado (desde 0 hasta 6), posterior a éste y de manera seguida se coloca una letra que indica el tipo de entalla (A, B, C o D) y, por último, a la derecha de ésta, después de un guión, se ha añadido un número que indica el tipo de velocidad de solicitación empleada (1 ó 2). La Figura 2 explica esta clasificación de manera esquemática para un ejemplo concreto, 4C-2.

Figura 2. Ejemplo de la nomenclatura empleada para definir las probetas estudiadas.

3. ANÁLISIS FRACTOGRÁFICO

Después de realizar los ensayos comentados en el apartado anterior, se procedió a analizar las superficies de fractura con el microscopio electrónico de barrido (MEB), buscando principalmente la fractografía TTS dentro de la ZPF. Se han podido encontrar las tres tipologías reseñadas previamente, incluso en la misma disposición que en estudios previos [22], i.e., en las cercanías a la superficie de la probeta se ha hallado TTS orientada (Figura 2), un poco más hacia el interior de la probeta se encuentra TTS (Figura 3) y en la zona de mayor profundidad de la ZPF se ha visto cuasi-CMH (Figura 4). Como excepción, en las probetas tipo D y velocidad de solicitación tipo 1 (la más lenta), donde la ZPF se tiende a formar en el centro de la probeta, no se ha encontrado TTS orientada. Tratándose del único caso en el que la probeta parece tener su ZPF en el interior del alambre en lugar de tenerlo en la superficie, se puede pensar que es precisamente esta disposición la que influye en la aparición o no de la TTS orientada.

Figura 2. TTS orientada, en la superficie del alambre.

Figura 3. Aspecto de la fractografía TTS no orientada.

Figura 4. Aspecto de la fractografía cuasi-CMH.

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4. DISCUSIÓN

Gracias a trabajos previos se sabe que la fractografía TTS corresponde a un proceso de crecimiento subcrítico hasta llegar al estado de rotura final [30]. Teniendo esto en cuenta, para que en el presente estudio se haya formado en los aceros trefilados una zona de la superficie de fractura con la topografía TTS orientada, debió existir una acumulación paulatina de hidrógeno en esa dirección. Pero, además de esto, también tuvo que existir otro factor que impusiese que el hidrógeno se difundiera en una dirección preferente.

Para elucidar ese posible factor, que afecta a la trayectoria de la difusión del hidrógeno, se ha realizado un análisis metalográfico de varias probetas entalladas justo por el plano de simetría de la entalla. Este estudio se ha realizado concretamente en probetas con entallas tipo D, ya que esta tipología de entalla permite realizar el corte metalográfico con bastante comodidad. A partir de los resultados se ha podido observar que en muchas zonas próximas a la superficie de la entalla existe también una clara orientación de la microestructura (Figura 5), y que además esta disposición es similar a la adoptada en la topografía TTS vista anteriormente (Figura 2) e incluso de un tamaño similar. Por lo tanto, parece lógico suponer que es la propia microestructura la que impone que el hidrógeno se difunda de una manera predeterminada en las proximidades a la superficie de la entalla (TTS orientada). Esto se corresponde perfectamente con estudios previos en los que se demuestra la interrelación existente entre la microestructura y la trayectoria de difusión del hidrógeno [11].

Figura 5. Orientación microestructural en el plano de simetría de la entalla en las cercanías a la superficie del alambre.

La explicación de esta orientación de la microestructura radica en el mecanizado de la entalla. De esta manera, para demostrar la influencia que el proceso de mecanizado ejerce en la orientación de la TTS se puede recurrir a analizar en mayor profundidad la trayectoria preferente que esta topografía adopta en función de las marcas de mecanizado, que indican precisamente cómo fue mecanizada la entalla de la probeta. En la Figura 6 se han expuesto dos fractografías que corroboran el hecho anterior, ya que en ellas se puede deducir el sentido de giro del mecanizado a partir de la disposición de las zonas de material levantadas que se aprecian en la

cómo debería aparecer la TTS según el sentido de giro de la probeta durante el proceso de mecanización de la entalla, corroborando el hecho de que la disposición espacial de esta topografía se vea afectada por el proceso mecánico, i.e., el mecanizado de la entalla induce un predaño en la microestructura del material que afecta posteriormente a la difusión del hidrógeno, favoreciendo una orientación preferente de la topografía TTS. A modo de confirmación se puede apreciar perfectamente cómo laFigura 7se corresponde con la disposición de las fractografías mostradas en la Figura 6.

(a) (b)

Figura 6. Orientación de la topografía TTS en función del sentido de giro durante el mecanizado de la entalla:

(a) probeta 5A-1, (b) probeta 6A-1.

CUCHILLA FIJA

Sentido de giro de la probeta CUCHILLA FIJA

Sentido de giro de la probeta

CUCHILLA FIJA

Sentido de giro de la probeta CUCHILLA FIJA

Sentido de giro de la probeta CUCHILLA FIJA

Sentido de giro de la probeta CUCHILLA FIJA

Sentido de giro de la probeta

(a) (b)

Figura 7. Esquema de la orientación de la topografía TTS según el sentido de giro durante el mecanizado de la entalla: (a) probeta 5A-1, (b) probeta 6A-1.

En las probetas en las que la zona dañada por el hidró- geno se localizó en el centro del alambre (entallas tipo D y velocidades lentas) no se encontraron evidencias de TTS orientada –ni en la ZPF ni en la superficie del alambre–. Teniendo en cuenta que el hidrógeno tuvo que difundirse a lo largo de toda la probeta para llegar hasta el centro, atravesando la zona de la superficie en la que se encontraba el predaño inducido por el mecanizado, se puede concluir que para que exista la fractografía TTS orientada no sólo debe existir un predaño inducido por el mecanizado sino también una concentración de hidrógeno suficiente en esa zona.

Según todo lo expuesto en este artículo se puede concluir que la fractografía TTS orientada no es una tipología de fractura per se, sino la apariencia que adopta la TTS en una zona en la que la microestructura tiene unas ciertas características, tales como una orientación preferente inducida por un proceso de mecanizado. Este es otro claro ejemplo de la influencia

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5. CONCLUSIONES

El mecanizado de la entalla genera un predaño en la microestructura del material induciendo una cierta orientación preferente según el sentido de giro del proceso.

La fractografía vinculada al hidrógeno puede verse afectada por la microestructura dañada por el mecanizado, proporcionado la conocida TTS orientada.

Para que la topografía TTS llegue a orientarse acorde a la microestructura dañada por el mecanizado, debe existir una concentración suficiente de hidrógeno en esa zona.

Se ha establecido un criterio que aclara la alineación de la TTS orientada en función del sentido de giro de la probeta durante el proceso de mecanizado de la entalla.

La fractografía TTS orientada no es una tipología de fractura per se, sino la apariencia que adopta la TTS en una zona en la que la microestructura tiene una orientación preferente.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer la financiación de las siguientes instituciones: MCYT (Proyecto MAT2002- 01831), MEC (Proyecto BIA2005-08965), MCINN (Proyectos BIA2008-06810 y BIA2011-27870) y JCYL (Proyectos SA067A05, SA111A07 y SA039A08), y por el suministro de acero por parte de EMESA TREFILERÍA

(Arteixo, La Coruña, España).

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