Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 261-265
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela) 259
EVALUACION DE LAS PROPIEDADES MECANICAS Y MICROESTRUCTURALES DEL ACERO NAVAL ASTM A-131A SOMETIDO A EXPLOSIONES CERCANAS
Jairo F. Useche
1*, Carlos M. Cano
29 Este artículo forma parte del “Volumen Suplemento” S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales (RLMM). Los suplementos de la RLMM son números especiales de la revista dedicados a publicar memorias de congresos.
9 Este suplemento constituye las memorias del congreso “X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X IBEROMET)” celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008.
9 La selección y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET, quien nombró una comisión ad-hoc para este fin (véase editorial de este suplemento).
9 La RLMM no sometió estos artículos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los números regulares de la misma.
9 Se recomendó el uso de las “Instrucciones para Autores” establecidas por la RLMM para la elaboración de los artículos. No obstante, la revisión principal del formato de los artículos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET.
Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 261-265
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela) 261
EVALUACION DE LAS PROPIEDADES MECANICAS Y MICROESTRUCTURALES DEL ACERO NAVAL ASTM A-131A SOMETIDO A EXPLOSIONES CERCANAS
Jairo F. Useche
1*, Carlos M. Cano
21: Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Bolívar. Cartagena de Indias, Colombia 2: Departamento de Estructuras y Materiales, COTECMAR. Cartagena de Indias, Colombia
E-mail: [email protected]
Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008
Selección de trabajos a cargo de los organizadores del evento Publicado On-Line el 20-Jul-2009
Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html
Resumen
El trabajo presenta la caracterización mecánica y micro-estructural del acero ASTM A-131A antes y después de ser sometido a explosiones cercanas. Los especímenes de prueba fueron fabricados a partir de paneles estructurales sometidos a explosiones cercanas y controladas utilizando pentolita como material explosivo. Fue desarrollado un sistema de adquisición de datos para la medición de las deformaciones unitarias desarrolladas en el panel durante la explosión, utilizando para esto strain gauges ubicados en puntos específicos del panel. Para la configuración y dimensiones del panel utilizado no se observaron variaciones micro-estructurales significativas, representadas en cambios de fase, tamaño de grano, composición química o micro-dureza. Ensayos no destructivos realizados sobre los especímenes no revelaron la presencia de fisuras o discontinuidades en el material afectado por la explosión. Igualmente, fueron realizados ensayos tipo Barra de Hopkinson a compresión para caracterizar su respuesta mecánica a altas velocidades de deformación antes de ser sometido a explosiones. Los resultados obtenidos en estos ensayos muestran un aumento de la resistencia última del material así como una variación en su ductilidad con el aumento de la velocidad de deformación.
Palabras Claves: Acero naval, explosiones, deformación plástica, velocidad de deformación, ensayo de Hopkinson.
Abstract
This work presents mechanical and micro-structural characterization if ASTM A-131A naval steel before and after that near explosive blast load acts on it. Coupons tests were made of specimens obtained from structural panels under controlled blast loading using Pentolite as explosive material. In order to obtain the dynamic strain developed during the explosive event, a data acquisition system was developed using strain gauges placed at points of interest in the panel. For the tested panels wasn’t found significant micro-structural variations like phase changes, grain size, chemical composition or micro-hardness variations. Non destructive test performed weren’t reveals neither fracture nor any type of material discontinuities generated by the blasting load, but significant plastic deformation was found at regions of high impact pressure load. Also, Hopkinson’s compressive bar test was developed in order to characterize the strain-stress material response at high strain rates before explosion. This test shows an increment in the ductility and material’s yield stress with the increment of the strain rate.
Keywords: Acero naval, explosiones, deformación plástica, velocidad de deformación, ensayo de Hopkinson.
1. INTRODUCCIÓN
El comportamiento mecánico de un material sometido a carga explosiva es una respuesta a una serie de fenómenos que ocurren dentro de este, El proceso se inicia con un segmento pequeño de material explosivo ubicado en las cercanías al panel cuya, ignición genera un pulso de presión que resulta en una detonación. Cuando el frente de la detonación encuentra el metal, una onda de presión
es transferida a este. Al mismo tiempo cierta parte
de la onda de detonación es reflejada y transmitida a
los productos de la explosión. El impacto de la onda
de choque sobre el material genera desplazamientos
y deformaciones y fenómenos de ruptura tal como
spalling (Meyers [1]). A nivel micro-estructural los
efectos de la velocidad de deformación y la
propagación de ondas de choque pueden verse
reflejados como variaciones del esfuerzo de flujo,
Useche et al.
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transformaciones de fase, inestabilidad mecánica y elevación de temperatura entre otros, los cuales son dependientes de la intensidad y duración de la onda de choque. La anterior descripción permite visualizar la complejidad del proceso que tiene lugar cuando un material es impactado por una onda explosiva.
Este trabajo presenta los resultados obtenidos en análisis metalográficos, análisis de composición química, micro-dureza y ensayos no destructivos realizados a muestras de materiales obtenidos en un panel fabricado en acero naval ASTM A-131 grado A, impactado por una explosión cercana, mostrando que desde un punto de vista metalúrgico, el material afectado preserva su propiedades y composición inicial.
2. ASPECTOS METODOLÓGICOS
Para la caracterización de las propiedades mecánicas y micro-estructurales del acero ASTM A 131A (conocido como acero naval por su aplicación en la construcción de estructuras navales), se desarrollan experimentos controlados sobre un panel fabricado con este material, el cual es sometido a una explosión cercana utilizando como material explosivo una composición de 50% en peso de Pentolita (Penta-eritatetra-nitrato) y 50% de TNT (tri-nitro-tolueno). El panel utilizado tiene dimensiones 725 mm x 550 mm y espesor de 6.35 mm (ver figura 1). El panel fue sujetado a una estructura de anclaje utilizando pernos de alta resistencia. La carga explosiva fue ubicada en el centro del panel y alejada de este una distancia de 300mm.
Fueron colocadas galgas extensiometricas sobre el panel, cuyos datos de deformación durante la explosión fueron registrados a través de un sistema de adquisición de datos desarrollado para tal fin (ver figura 1).
Para el estudio micro-estructural, se tomaron tres probetas del panel afectado por la explosión en puntos de baja (L), media (M) y alta deformación (H), establecidos en el proceso de levantamiento geométrico del panel, luego de la explosión (ver figura 2).
La preparación mecánica de la superficie de cada una de las muestras consistió en lijado y pulido y ataque con Nital al 2% (ácido nítrico al 2%+
alcohol etílico + agua), con lo cual se logró hacer visibles los aspectos micro-estructurales tales como los límites de grano y las diferentes fases que
conforman el acero. Igualmente fueron realizados ensayos para análisis e identificación de fases según estándares ASTM E562-02 y E45-97; tamaño de grano según ASTM E112-61; ensayo de micro- dureza Vickers según ASTM E92 y análisis de composición química utilizando microscopia óptica de barrido.
Figura 1. Superior: Panel para ensayo antes de la explosión. Inferior: Ubicación de las galgas extensiometricas en la cara inferior del panel.
3. RESULTADOS
3.1 3.1 Ensayos Metalográficos
La figura 3 muestra la micrografía de una probeta de
acero naval antes del impacto comparada con una
micrografía de una probeta tomada después del
impacto donde se observan fases ferriticas y
perliticas. En la micrografía de la estructura pos-
impacto se observa un reordenamiento de los granos
que pudo ser originado por la forma de distribución
de la onda de impacto, causando un movimiento de
las dislocaciones en un solo sentido. Para determinar
el porcentaje de fases presentes (fracción
volumétrica) en el acero para cada una de las
probetas, se utilizó el método de las áreas,
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resumiéndose los resultados obtenidos en la Tabla 1.
Por otro lado, se utilizó el método planimétrico de Jeffries y método del intercepto de Heyn para determinar el tamaño de grano (ver Shina [2]). Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 2. El análisis de composición química fue realizado mediante un equipo EDS (microscopia electrónica de barrido) en las probetas del acero antes y después de ser impactado.
Figura 2. Superior: panel deformado por la explosión.
Inferior: Distribución de desplazamiento en el panel obtenido del levantamiento de la geometría pos-impacto.
Tabla 1. Comparación de la composición por fases.
Fases Original L M H
Perlita 44% 31% 46% 33%
Ferrita 56% 69% 54% 66%
La Figura 5 muestra la composición química del acero después de impacto.
3.2 3.2 Ensayos de Tracción
Las dimensiones de las probetas utilizadas para el ensayo de tracción se fabricaron a partir de una lámina sin impactar de acero ASTM A 131 grado A
y a partir de una lamina impactada del mismo acero.
Figura 3. Micrografías de probetas ASTM A131 grado A, en orden de izquierda a derecha: antes del impacto y posterior al impacto para la probeta H (20X).
Tabla 2. Comparación del tamaño de grano
Método Original L M H Jeffries
1 4,0 4,0 5,0 4,0
2 4,0 5,0 4,0 4,0
Heyn
1 5,0 5,0 4,0 5,0
2 4,0 5,0 5,0 5,0
Con este ensayo se busca determinar las diferencias entre el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo máximo y el esfuerzo de ruptura de la lámina impactada y de la lámina no impactada. Las resultados de los ensayos de tracción realizados a cada una de las probetas se presentan en la Tabla 3, en la misma se pueden observar las diferencias porcentuales entre los esfuerzos máximos y de ruptura.
Igualmente fueron realizados ensayos de
Lugar obtención probeta L
Lugar obtención probeta M Lugar obtención
probeta H
Useche et al.
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compresión a varias velocidades de deformación utilizando un sistema de barra de Hopkinson buscando la caracterización del material antes del impacto (Crankovic [3]). Si bien estos ensayos muestran una variación de las curvas esfuerzo- deformación del material, los resultados no son concluyentes respecto a la influencia de la velocidad de deformación en las propiedades mecánicas (ver figura 6).
Figura 5. Análisis cualitativo de acero naval ASTM A 131 grado A después del impacto. Inclusión de sulfuro de manganeso.
Tabla 3. Resultados ensayos de tracción Probeta
Esfuerzo Fluencia [N/mm
2]
Esfuerzo máximo [N/mm
2]
Esfuerzo Ruptura [N/mm
2] Sin impactar 270,05 458,96 318,91
Impactada 256,25 417,36 278,96 Variación 5,13% 9,00% 12,52%
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el ensayo de ultrasonido realizado en la lámina después del impacto, realizado para la detección de fallas después del impacto se evidencio que no existían discontinuidades, condición que permitió la ejecución de la fase de caracterización micro- estructural. Las mediciones de dureza obtenidas de la zona de media deformación son casi iguales a la dureza obtenida en la probeta inicial, ya que el porcentaje de ferrita presente se mantiene en igual proporción en ambas muestras.
Por otra parte, en la probeta M no se evidencian cambios en las propiedades micro-estructurales del material. Los valores de tamaño de grano, dureza y
porcentajes de fases presentes son similares a aquellas encontradas en la probeta inicial. En la probeta H, se observa una disminución del valor de la dureza Vickers, lo cual podría estar relacionado con el aumento de la ferrita en una pequeña proporción.
En la micrografía de la probeta H se evidenció la presencia de silicatos en grandes proporciones ubicados en zonas localizadas del acero. Esta probeta se ubica en la zona de mayor deformación, lo cual indica que fue afectada en gran medida por el explosivo. En la micrográfia de la probeta M se evidencio la presencia de silicatos en pequeñas proporciones, distribuidos en diversas zonas. La composición química encontrada en esta probeta muestra inclusiones de NaCl y MnS que evidencian que el material adquirió impurezas que pudieron ser originadas por el impacto del explosivo.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
100 200 300 400 500 600 700 800
Deformacion verdadera ε
Tension (MPa) 700 Hz
780 Hz 800 Hz 1000 Hz 1250 Hz
Figura 6. Curvas esfuerzo real-deformación unitaria real para ASTM A131 como función de la velocidad de deformación
5. CONCLUSIONES
El acero naval ASTM A 131A después de ser
impactado mostró similares características micro-
estructurales y mecánicas a las del acero antes de
impacto. Al comparar los resultados obtenidos en
los ensayos micro-estructurales antes y después de
impacto, se evidenció que no existieron cambios
significativos en parámetros como dureza, tamaño
de grano y porcentajes de fases presentes, lo que
indica que las condiciones del material se
mantuvieron iguales. Igualmente no se evidenció la
presencia de discontinuidades superficiales en el
panel ensayado. Los ensayos de compresión a
diferentes velocidades de deformación no arrojan
resultados concluyentes respecto a la influencia de
este parámetro en la respuesta mecánica del
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