Hl"vista ~exicana de 1,¡sica 24 (1975) F;\B3-F.'\. 92

DESCRIPOO:-l y OPERAClO:-l DE UN APARATO DE PREOSIO:-l

PARA EL ES'IUDIO DE TERMOFLUENClA El\l COMPRESION

H. Gómez Hamírt'z y J. A. \fontemayor

Instituto de Física. Univt'Tsidad Nacio1zal Autó110ma de .\té.\.-ico

A.pdo. Postal 20-364, ,\t éxico 20, /J. F.

(Hecibido: junio 12. 197'5)

FARl

ABSTRAer: Thl" dHlractl'ristics and element.>; of a pr<'clsion creep teslill,l;:

apparalus are described. The m('thod of I('sting under a

constanl compressive s{tcss is discuSSl'd in delai1. The

sources of error and [he [l'chniqucs usc.d 10 climinale or reduce

Ihl"m arl' pointed OUI. The unccrtaintics in the importanl

variables are ~i\'en and a Iypical Ctl"t:p curve is also shown.

1. I~TRODUCCIO~

En los úllimos ailos se han reportado en la literatura diferentes tiposde aparatos para pruebas de termofluencia 1.1'1 capaces de trabajar en difer('n"tl'S inlervalos de esfuerzos y Il"mperaluras, para diferente::s maleriales y bajodiferenles condiciones externas. Algunos de ellos permiten mantener el es-fuerzo constante 1-5 e incluso se han diseñadp aparaws para esfuerzos cicli •.cos9• Hasta donde sabemos, en \léxico no se han diseñado ni construidopreviamente aparatos de ('ste tipo para invcstigación. En estc articulo se re-porta el diseño y la operación de un aparato de precisión para termofluencia

FAH-i

bajo comprc'sloll a (<.'mperatura y esfuerzll constante t"lHl .•.•truido tolnim<.'nt(' ('11

los talleres del Instituto de Física. El sistema trabaja ("(JIH" 20° Y H400 e

con (,,,,fuerzo.'; que pU('li<:n variar continuaml'nte entre 20 y IU"g/mm2•

El dis('ñn dd aparato se hizll de manera que satisficiera los si~ui('n"('s PUllWS: a) capacidad para [{'alizar pruebas en un illllplll> intervalo (le ('S"

fuerzos y rcmpnaturas, h) posihilid.HI de trahajar •..-on rnut..•.•tras de diferell(':-'materiales, el {("nn alta precisión y ti) 'il'r de rápida con-..rruccil-lIl. Po.'.;('"

riormellte surgió la necesidad dc un ,¡pameo a esfuerzo Ctmstante automático.en atmósft:ra COlllfobda y de tellsión- •..'ompresión. ES{{'''t"j.!:undo equIpo ('S"

t3 en construC<.-i0tl r sení moli\-o de un reporte posterior.Comunmctl(c, las pruehas de t<:rmofluencia ~c realizan hajo una fm'r.

za constante, de manera que el ('sfuerzo cambia conforme aV.ln/-a 1J. d('(orma.ción. Pero cuando se quiere estudiar (.1 c(lmponami('fl[o intrínseco del matc.'.rial, el esfuerzo (khe mantcnerse Cllllslante durante la prueha. Suponiendoque el volumen se mantiene conslanle durante la deform"ción*. es necesari()aplicar una fu('rza variable F para mantell('r el esfuerzo constante:

F Fn exp(-E)

donde Fo es 1<1 fu('rza inicial y € es la ddlHmación re,\1.

11. DESCRIPUO:-l DEL .\I'ARATO

El sislema d<."prueba (FiRura la. lb) const.l d(. cualro partcs c.'srr("cha.mente vinculadas entre sí: a) la eslfuuura. hJ ("1 "••ist<"l1u lk c.lkf,l('ci~)ll yconlrol de lemperatuT<1, c) el sistem.l dl' aplicaci()fl del e,,(unzo y d) d si ..••1l'1Il<lde medida. ¡\ continuación s<.' 11H"lll"lllnan In ..• pUllt()•.•c1a\"c para su (un.Clnflamlento y la fnrma cn que.' sc rc •.•olvicroll.

,d La {'structtua dl,he soportar carf!as de hasl;1 IUO f\~ sin dcfornl<HSC"pre.'ci •.lblemenle.', Ill<llllc."niendu la c....•[;lhili~bd m~"(",ini{"a <1l"1,'parato y reduci("fl.

do la transmisión de las posih1c.-s vihraciones dl'l sut,lo. Consiste ck un,l es-tructura de accro que dl.'sci.lnsa ..•obre UII armazón de mackra por llledio de ("(la.Ir" t"mill", que I",,,niten nivelarla. El a,mazón de madcca tiene p .••as decaucilo y sirvl' de hase.' para el horllO.

ESla es una muy huella aproximación ptll'S ~'Icamhio ('n l.1 volumen, debido al ~'xn'MJ

dl' ,-acaucias l.!t'ado}' a la cxpansic)n dehid,l a las Jisioc'lciofl('s ¡;:cn('raJas duran[{'la deformación, ('S mur pl'queño.

E!i'udio dp termojlul'ncia .•• FA85

Fig. la. Sistema de pruebas de termofluencia bajo comprcsión

b) El sistema de cale/acción)' con/rol de lempera/ura debc mante"ner la muesrra a una temperatura uniforme en el intcrvalo d(, 20° a 8400 C.con variaciones no marores de :t 10 C. Consiste de Ull horno tubular de re-sistencia de 300mm de longitud, SOmm de diámetro interior y con una Z00<1

de IOOmm coo tcmpcratura uniforme. Una zuna <1<- 60mm de.polvo refracta"rio y una cubicrta de asbesto aseguran una aha inercia lérmica. El hornodisipa una potencia máxima dc' 1 Kw. 10 que p('rmite alcanzar la temperaturade trabajo en un tiempo aproximado de 1 h. La temperatura de la muestra semide mediante un termopar de chromel-alumel. Un conlrolador de temperatu-ra recibe la señal del termopar)' actúa sobre un Iria(' que alimenta la corrien-te del horno. Las desviaciones máximas en la temperatura son de :t 10 C.El horno se coloca en posición de trabajo manuaim('ntc' y descansa sobre ta-biques refractarios que a su V(Oz descansan sobr(" el armazón de madera.

FAH6 Gómez y Montcmayor

Fi~. lb. Sistcma Je pruehas de ((;'rmofiul'ncia bajo compn~sión

c) Sistema de aplicación del esfuerzo. Consta de dos partes entrelas qu<.' se coloca la muestra, una fija a la estructura y otra móvil que trans.mite 1<1fuerza. (Ver la Figura 2). Esta última consiste de una barra ator-nillada en su extremo supcrior a un disco sobre el que se coloca el peso re"querido. La barra transmisora de la fuerza pasa a través del agujero centralde una pieza fija a la estructura. Esta pieza entra en contacto con la barrasolamente en seis pUlltos, los extremos redondeados de tornillos de cuerdafina que, a la vcz que permiten alineH la barra, minimizan la fricción. Lafuerza aplicada actúa contra la muestra que a su vez descansa sobre un dis .•eo pulido sostenido por tres harras que van atornilladas a la pieza fija dela estructura mcncionada antes. El disco puede nivclarsc mediante el des.piazamicnlO independiente de las tres barras, i. e. de los tres punros en los

•que se apoya •

FI ,ín~ulo ('ntrc la su¡wrficic inferior d(, la barra transmisora y d disco, así corno('1 ;íngulo eotre la v('rtical y el el\..',le Lt harra es menor de 10

1•

ESludio de 1r:'''Jo/luf'ncia .•.

I•

PORTA-MUESTRA

FAS,

BARRA TRANSMISORADEL ESFUERZO

ESTRUCTURA

MUESTRA

Fig. 2. ~istema de aplicación d.el esfuerzo de compresión

Una vez que el disco está a nivel, las harras se fijan mediante conlra-luercas. Tanw es le disco como las cuatro harras mencionadas alcanzan latemperatura de trabajo y tienen que soportar la fuerza aplicada. Para evitardeformaciones sensibles eo ("stas piezas, se hicieron de superaleacionesde cobalw (Hayoes 88 y 125 respeclivamente), que además son extremadamen6

te resisterHes a la corrosión, lo que permite hacer pruehas con sales iónicasque son extremadamente corrosivas a altas t('mperaluras. Posteriormt"nte secolocaron las muestras enUt" discos de alúmina de caras planas y paralelaspara evilar daños por corrosión en d sistema.

La aplicación de un esfuerzo constanlC es posible medianle el uso deun sislema hidráulico que permite agregar peso de una manera cOlllLnua y uni-forme en un recipienle graduado y colocado sobre el disco. La cantidad depeso cxtra requerida se calcula previamenle en función del despiazami('fllodel disco medianlc un programa de computación. El peso (olal se compruebacada 2 minulOs (una prueba dura enue 3 y 16 hrs.) yen caso de dcsviat:ii')fl semodiFica liRcramenlc el peso agregado en forma manual. En una prueb •.l lipi-

F AH!,) (;ómez y .•••tontemayor

ca las dc's\"iaciones máxIma" d{,1 esfuerzo son dd orden de 0.2% y duran ti(:2.14 minutos. El .",istema se dist'llÓ para minimizar la fuerza de fricción enla harra rransmisora. Esta fu{'rza se midió a aira tempcraluL1 bajo las condi.ciolH's de opernción ellcontr:indose que era aproximadalTlenl{' de 1) g. Parael c.¡lculo de la fuerza aplicada en una prueba, ckben [Omarse ('n cuenta, tan.to {'sras fuerzas como la fuerza de fricci(~l debida al sistema de medida q'j{'tie .....cri!Jir<:mos en se,guida.

d) Sistema Je medida. Ori,ginalmellte ..•e usó un medidor de desplaza.mientos de car,ltuia marca '\1ilulOYo anclado a la ('structura, {"l)ll su punta encon(.IClll con ,"1 disco s(lbre el que va el peso. El medidur indica el despla.zamiellto {'n milésimas d{. milímetro. La pr"("isión en la deformación e ...•delorden ci(,)( lOeS. Al principio dellfansirnrio las ¡ectur,l.s S(" IOm3n cada10 sc',g. después sc' van alar!!ó\ndll los períodos "Hlfe lectura y lectura hastaqm. c.n el eswcionario se toman lecturas cada :\ Ó ) minutos. El tiempo ,semide (-Pll un cron(,metro.

Anualmenle sC' usa ¡l(it'm,ls UI1transformadnr difen'ncial lineal DeDT,lIewlett-Paekartl 24-A alimentado por una fuente regulada dc corrien«: direc.ta de 24 V. La sellal obtenida 'H' .llimenra aUlla grafieadora que traza unacurva de J,_'formación int:coierill'<Hllra tiempo automáticamente. La precisiónobtenida con este ....is({.ma es dd mi .••mo urd,.o ti" magnitud pero se eliminab n('c(, ••id,lll de tnrtl.lf lecturas cnn,sl.ll}(emel1te.

1II.0PERACIO:'oi

l.a muestra (k be tener una sccción transversal uniforme y las superfi-cies "'urerior (' infnior deh<.'o ser paralelas. La sección transversal y la Ion"!!itu<.1"'{' miden an('s de. la prudM con un mi<.:rómetro marca ~Iitutoyo graduadoen mil~ ....i:nas ti" lIllll. (onsid,'ranJo la expansi:'lfl térmica se calculan las di •.lllellSitlJles de la mueslfa a la lelTlperalUra de trabajo y se determina la fuerzainici,d ;\ ¡,plica!. Con (...••tos datos se ..::orre el pro~rama tille calcula (,1 pesoeXlfa requerido p,lla manten(.r el {'sfuerzo constanle, en función del despLlzae

miento.

Calibración. Se ha("(' con la ¡l)"uda de una mueslra patrón de acero, de longi •.{ud cOllocida. I.as superficie.s de la mu{'stra patrón se saturan con escamasde J,:rafiw •• al i,gIJ;\1que la Il1uc...•lfa que "" \'01 a deformar.

I)( .•.•put ..•. J<.. rrob,lf '\llt'TI"lIfe ••• suh~,lall<..ias St. h,l encolltra-do qUt' a altas t(,l':lpet<lIUras('1 ¡,:ulitn en huella paH(" t'!ilT'in<1 la frlrclon ('flIrt. el si:o¡terna y las ,>uperfi<."i<.'" li<.' lamu( "'Ha cuando ¡'sta aumenta su ...•('<"Ción tLIIl .•..\'l"tS.¡[ JuraTl[(' la <lt-formación.

FAR9

La lectura inicial ('n el medidor de cará£u1a o en el DeDT se colocaen un valor igual a la difeH'llcia entre la longilud de la muestra patrón y lalongiwd dc calibración, d,' manera que cuando la Illuestra entre en contactocon la barra transmi~(lra dd esfuerzo, la lectura en el medidor correspondeal cero de deformación. La longitud de calibración roma t"O cuenta la .I0ngi.(ud de la muestra il la tcmp€'ra£ura de trabajo y la diferencia en la expansióntérmica de las panes fija y móvil del sistema de aplicación del esfuerzo.

[)escripción de una prueba. Una vez calibrado el aparato, se coloca la mues~(fa, el horno y el termopar ('11 su posición de trabajo. Se enciende el hornoy una vez que la temperatura se ha estabilizado se haja lentamente la barrauansmisora del esfuerzo hasta hacer .:oota("1o con la mut-'stra, evitando quehaya impacro. En ese inSlallte st-' dispara el cronómetro y empieza a correrel tiempo de la prueba. La rapidez de ddormacillll inicial es muy grande porlo que es necesario [(lmiU lenuras cada 10 seg y a,grc~ar peso muy r:Ípida-mente sq~ún la lectura y de acuerdo al cálculo del programa. Las lecturaso desplazamientos de la mue"Hra se traducen a deformaciones reales median-tl" el programa de computación y S{"traza la curva d{" termofluencia. El es-fuerzo se quita cuando la mll(",tra ya está fría (para evitar que ocurran proce-sos de recuperación) y despuis s{' analiza su forma, ramailo y microestructu.

ra.

TABLA lo

Incertidumbre ("n las variabl{,s de interés en pruebas d(, tcrmof1uencia

il~Longitud2)~Tiempo3)~Temperatura

4)~ Fuerza5)~Esfuerzo6)~Deformación7)~Rapidez de deformación8) ~Energía de activación

-4dl=5xl0mmdt = I segdT=O.5°K

-2dF=5x10 9

-3d =25xIOg/mm2

-4dE=2 X 10dE=6 xIO-\ef'dQ=0334

FA90 (jóml'z y Monccmayor

IncntidumbTe en las I/ariabln. El aparaw descrito permite mediaote el pro.cedimiento ólocerior oht('n('r datos dc rcrmof1ueocia muy precisos. En la Ta .•bb 1 "c indica la incertidumbre en las variables de int('rés. La precisióno!Hl'nida ("n ('o,¡{;lS variables nos permite a3egurar que ('ste aparato compite\'cntóljosam('n(e con otros reportados en la litcratura internacional. Cabearlarar que la incertidumbre eo la energía de activación aunquc muy alta esilltríns('ca al aparato y allllétodo dc detcrmin(!ción. Lo qlle asombra .son lopC'qucilo dc los ('rrun's en la t"llcrgía de activación uo,;uailnellte H'portado.s,eo pru(.has realizada.s con aparatos similares •

.30

.20

.10

KBr 550 oC120g/mm2

2 3

t (hs)

Fi~. 3. Curva típica lil' [crmoflul'ncia (KBr monocrisralino a 5'50"'C y 120...-: !mm2)

Resultados típicos. En la Figura 3 se muestra ulla curva t1plca de la t('ono.fiuc'flCia en KBr a ))OoC y hajo un esfuerzo constante de 120 ,!-:/mm2

• Esclaro <IUCla .••inc('rritilllllhres propias del aparato son inapreciahles eo estacurva. En Illu('stras con tratamientos tcrmoJIlcc.lnicos iguall's y dimension('ssimilares se ohtuvieron resultados reproducibl(:s. EIl.studio de la [crmofiu-cneia de KBr S(' presenta en otro crabajo 11.

E~ludio de Je~oll!Jf!''J(''ia •••

l\'. CONCLUSI01':ES

FA91

El aparato descrito permite hacer pruehas de termoflllelleia (y otrassimilares) ('n el intervalo de 20° a 8..iOoC (:! In() bajo esfuerzos constantesde ID a lO. g/mm::: (t 0.2%). El mi,todo de opL'ración dc .••crito incluye Cl.Jrrcc-ciones por la expansiún térmica tanto de la muestra como del .••i ...•tcma, un mé-todo satishclOrio de lubricación. minimización y correccil)n por la fricciónen el sist('ma transmisor dd esfllcrzo. Además la rerrnofillt'llcia propia d{,1

aparaw es pritcticarne(lte despreciable.Por otra parte, la.s limitacilU1es principales del ap;},raw s('ln las siguiL'n-

tes: se trabaja en ¡uffil}sfera libre, d sistema de contacto entre la harra y laml-,<"stra ('S manual y por lo tanto ..•ujero a la posihilidad de un ligero impacto,y la preservación del (.'sfuerzo consrant<: no es autnmática. sino Illantl;ll. Fi~oalmente la precisión eo las fTu'Jidas permite as('~Ur,H que el aparato compi-te aJecuadamcn[(- cun otroS similares para la inn'stigación en tcrmofhH'ncia.

AGHAIJECI\lI E~TOS

A,gradecemos la colaboraci(lll de J. L. Bush y la ayuda qm" nos hrindóel personal del taller mecáoico del In~tituto de Física dt, la llNAM. Panicu-iarmC'n{L'reconocemos la cohIHH<.\ción Jc hlS Ings. F. ~1cr('ado, J .M. Hamos,

S. Rodríguez Quii,ones. S. Corrés y J. Cairé.E'He trahajo ";f: lIeyó a c.,hn ('0 el Institll(O dL' Físici.l de la Ui'1A~1den"

tro del marco del Con,'cnio d(' Col¡lbofacilll1 en ~.1ctalurgia t'-:lJckar estahleci .•

do enrre t'1 IFlJI\A.\l Y el INEN.

H EFEH E1':CL\S

I. E.N. de C. Antlradc y 13. Chalmers, Proc. Hoy. Soco A138 (1932) 348.2. L.~1.T. Hopkin, Proc. Phys. Soco 1363 (11)')0) 346.3 •. A.A. S(llomon. RL'Y. Sci.lnsrr. 40 (1969) 102'5.4. \'1,'.A. Coghlan. Te •.•i••Doctoral. Stanford l'ni\'('r •.•ity (19(19).5. H. A. Amaral ~1en('n's. Te",is Docroral. Stanford Unin:rsil)' (1972).(l. H. W. Christy. Acta ~1et. 2 (11)'14) 284.

7. o. n. :-:'11crby.Tralls AI~IE 212 (19'58) 70H.H. P.C. Smith y R.E. \loMe. Bull. ..\m. Cerarn. Soco ')0 (11)71) 937.9. \,.~I. Had¡-'akrishnan. K.S. Ra~h.I\'an y I{.{;. :\aray.lnaml1rrhi,

Trans. 1ndian losI. of \1ewls (972) 50.

FA92 (;ómez y .\1onremayor

10. A.A. Sol11mon y H.II. Gchner, :'-Jucl. Tech. 13 (1972) 177.11. J.A .. \loIH(:mayor, H. Gómez Hamírez y E. Carrillo, por publicars(' en

Phys. Sta!. Sol.

RESlJME~

~l" lkscrib('n las características y los elementos de un aparaw de prc•.cisil)n para prlJ(.ha .•.•dí: (nmllf1u('ncia. El método (1<'prueha hajll un esfuerzodc cOlllpr<'si'~lfl constan!(' <;{' discute dctalladamcllte. !"e mellcionan las fu('n~tes de ('rror y las técnicas usadas para eliminarlas o reducirlas. S(. indican lasincertidumhres ('n las variahles importantes y se muestra Ulla curva de ter.I!ltlflu('ncia típica.