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  • Jornadas SAM CONAMET AAS 2001, Septiembre de 2001 549-556

    INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIN DE TENSIONES EN EL LIMITE DE FATIGA DE FUNDICIONES NODULARES AUSTEMPERIZADAS

    M. D. Chapettia, D. Ramajoa, S. Ciancib y R. Boeria

    aINTEMA (CONICET-UNMdP), J.B.Justo 4302, (7600) Mar del Plata bEET N3 Domingo F. Sarmiento. 14 de Julio 2520 (7600), Mar del Plata. RESUMEN

    Se analiz la sensibilidad a la entalla de probetas cilndricas de fundicin nodular austemperizada (ADI) de grado 2 (ASTM 897M-90) ensayadas a fatiga en presencia de concentradores de tensiones tericos kt iguales a 1.03, 1.55, 2 y 2.55. Se analiz la ocurrencia y naturaleza de fisuras a niveles de tensiones por debajo y cercanos al lmite de fatiga, definido como el nivel de tensin para el cual la probeta experimenta una vida a la fatiga superior a los 107 ciclos de carga.

    Los resultados muestran que la existencia y naturaleza de fisuras microestructuralmente cortas (del orden de las dimensiones microestructurales caractersticas), iniciadas en los ndulos de grafito y arrestadas en bordes entre colonias de ausferrita, depende del factor de concentracin de tensiones. La longitud y el nmero de las microfisuras arrestadas aumenta con el aumento de kt. Sin embargo, para kt igual a 2.5 la ocurrencia de microfisuras en comparativamente menor y la tendencia se invierte. El lmite de fatiga decrece con el aumento de kt, alcanzando aparentemente un valor estable a kt mayores que 2, a partir del cual dicho lmite estara dado por el umbral mecnico Kth y la profundidad de la entalla D. Este comportamiento coincide con la transicin generalmente observada en aceros, de un rgimen controlado por un umbral microestructural (lmite de fatiga, e0) a otro controlado por un umbral mecnico (umbral de propagacin para fisuras largas, Kth). En aceros, la longitud de las fisuras no propagantes observadas justo por debajo del lmite de fatiga aumenta con el aumento de kt. En el ADI analizado, la tendencia no es clara. Por otro lado, la interaccin entre los ndulos de grafito donde nuclean las microfisuras (de aproximadamente 50 m de dimetro) involucra distancias mecnicamente comparables con los radios de las entallas de concentradores de tensiones agudos (0.5 mm). Esto hace necesario involucrar a los ndulos y sus interacciones en el clculo de las distribuciones de tensiones aplicadas para la determinacin de los umbrales de propagacin. Palabras claves Fundicin Nodular Austemperizada, Lmite de Fatiga, Sensibilidad a la Entalla. INTRODUCCIN

    La fundicin nodular austemperizada (Austempered Ductile Iron, ADI), posee una matriz ausferrtica compuesta predominantemente por ferrita y austenita retenida. Las ADI poseen una importante combinacin de alta resistencia esttica, tenacidad y ductilidad, con buena resistencia a la fatiga y al desgaste [1], por lo que encuentran numerosas aplicaciones tales como cigeales y engranajes, en las cuales la resistencia a fatiga juega un rol importante.

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    La informacin disponible sobre el comportamiento a fatiga de ADI es actualmente muy escasa, y es an menor la referida a su sensibilidad a la entalla. En las referencias 1 a 5 puede encontrarse informacin sobre la resistencia a la fatiga de ADI y su relacin con parmetros tales como la resistencia a la traccin, la dureza de la matriz, ductilidad y cantidad de austenita retenida en la matriz.

    En un trabajo anterior [6] se desarroll un procedimiento de ensayo que permite el anlisis del desarrollo y la naturaleza de fisuras microestructural y mecnicamente cortas de fundiciones nodulares austemperizadas. Esta metodologa ha sido utilizada en el presente trabajo para el anlisis de la sensibilidad a la entalla, lo cual corresponde a una segunda etapa del desarrollo de una metodologa para el anlisis de la aptitud para el servicio a fatiga de componentes de ADI, que considere las variables microestructurales, las condiciones superficiales, el tipo y tamao de defectos y los concentradores geomtricos de tensiones involucrados. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

    Se utilizaron probetas cilndricas ensayadas a flexorotacin en una mquina Schenck de 2 tn de capacidad (ver Figura 1). Las probetas fueron obtenidas de bloques Y de 1 pulgada de espesor (colada realizada en molde de arena), obtenidos de una colada industrial de fundicin nodular producida en un horno de induccin elctrico de capacidad media. Composicin qumica: 3.4% C, 2.63% Si, 0.19% Mn, 0.90% Cu, 0.57% Ni, 0.048% Mg, 0.12% Mo, 0.016% S, 0.041% P. Nodularidad: 90%, Tamao nodular: 5, Conteo Nodular 100 nod/mm2.

    Figura 1. Probetas utilizadas para los ensayos a fatiga por flexo-rotacin.

    De los bloques Y colados se mecanizaron cilindros que fueron austenizados a 900C y

    austemperizados a 360C durante 90 minutos. Luego del tratamiento trmico los cilindros fueron mecanizados para obtener probetas para ensayos de flexo-rotacin. A las probetas se le agreg adems, entallas de 1 mm de profundidad y de radios 50 mm, 2 mm, 1 mm y 0.5 mm, obtenindose concentradores de tensiones kt de 1.03, 1.55, 2 y 2.55 (ver Figura 1). La superficie de las entallas fue pulida a fin de revelar la microestructura previo a la realizacin de los ensayos. Esto permite analizar la ocurrencia y naturaleza de microfisuras y su relacin con la microestructura, mediante la observacin por microscopa electrnica de barrido luego de realizado el ensayo.

    226 mm96 mm

    12 mm 9.5 mm

    = 50 kt = 1.03 = 2 kt = 1.55 = 1 kt = 2 = 0.5 kt = 2.55

    1 mm=

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    Figura 2. Resistencia a la fatiga en funcin del nmero de ciclos a la rotura.

    Figura 3. Lmite de fatiga, e, en funcin del concentrador de tensiones, kt. RESULTADOS Y DISCUSIN

    La Figura 2 muestra los resultados de los ensayos de fatiga. El lmite de fatiga fue

    Nmero de Ciclos, N

    Tens

    in

    Nom

    inal

    , n===[M

    Pa]

    1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 200

    300

    400

    500 kt 1.03 1.55 2 2.55

    Concentrador de Tensiones, kt

    Lm

    ite d

    e Fa

    tiga,

    e===[M

    Pa]

    1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 100

    200

    300

    400

    500

    e = e0/kt

    e

    e0 Resultados Experimentales

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    definido como la tensin aplicada por debajo de la cual el nmero de ciclos a rotura supera los 10 millones de ciclos. La Figura 3 muestra el lmite de fatiga, e, en funcin del concentrador de tensiones, kt. Puede verse que a medida que el factor de concentraciones se incrementan de 1 a 2, el lmite de fatiga decrece de 440 MPa a 250 MPa. A partir de este valor, el incremento de kt de 2 a 2.55 disminuye el lmite de fatiga en slo 10 MPa.

    A efectos de analizar la ocurrencia y naturaleza de fisuras por debajo del lmite de fatiga, las probetas fueron sometidas a un mximo de 10 millones de ciclos. De esta manera, todas las probetas ensayadas a niveles de tensiones por debajo de dicho lmite no experimentaron fractura. Se analizaron al menos dos probetas ensayadas a dos niveles de carga distintos justo por debajo del lmite de fatiga, a fin de verificar la existencia y naturaleza de fisuras. La Figura 4 muestra ejemplos de fisuras microestructurales observadas a distintos kt. Puede verse que en todos los casos las mismas iniciaron en los ndulos y se encuentran orientadas en forma perpendicular a la direccin de las mximas tensiones aplicadas (eje de la probeta).

    Figura 4. Ejemplos de microfisuras no propagantes iniciadas en los ndulos de grafito. En trabajos anteriores se analiz la evidencia experimental de que el proceso de

    iniciacin y propagacin temprana de fisuras por fatiga est fuertemente influenciado por la microestructura [7-9]. Tanto el lmite de fatiga como la resistencia a la fatiga dependen de la

    (a) (b)

    (c) (d)

    10 m

    10 m10 m

    20 m

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    )(aK n 1 =

    resistencia de las barreras microestructurales que tienen que ser superadas por las fisuras. Las barreras potenciales son los bordes de granos, los bordes de sub-granos, segundas fases, etc. Cada una de estas barreras tiene una dimensin caracterstica y un rango de tensin crtico requerido para superarla. El lmite de fatiga puede estar dado por la resistencia de la barrera microestructural ms fuerte, si sta es mayor que la resistencia a la iniciacin de una microfisura [9]. Por otro lado, por encima del lmite de fatiga, para cada barrera hay asociado un nmero especfico de ciclos y un determinado nivel de tensin crtico. El control de estas barreras (en trmino de su posicin, tamao y resistencia) por medio de tratamientos termomecnicos permitira obtener materiales de alta resistencia a la fatiga.

    Las observaciones realizadas en este trabajo y otros existentes en la bibliografa [6,10] muestran que las fisuras, iniciadas en ndulos, propagan siguiendo las lminas de colonias ausferrticas orientadas en forma perpendicular a las tensiones normales mximas, y eventualmente se arrestan en los bordes de dichas colonias, donde las fisuras encuentran lminas de otras colonias con orientacin desfavorable para su propagacin (ver Figura 4, fotos a y c). Para poder seguir propagando las mismas necesitaran de una tensin algo mayor. Estos cambios de direccin definidos por la microestructura son los que actan como barreras a la propagacin de fisuras microestructurales. Como hemos mencionado anteriormente, estas barreras microestructurales tienen asociadas una resistencia especfica. Para que las fisuras superen entonces estas barreras es necesario de una fuerza impulsura aplicada a la fisura mayor. Esta fuerza impulsora estar definida por la tensin nomina