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MICROMODELAMIENTO MECÁNICO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-

DEFORMACIÓN EN UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE

TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS

GALVIS TRIANA DANIEL ORLANDO

GONZALEZ ESPINOSA JUAN DAVID

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2017

MICROMODELAMIENTO MECÁNICO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-

DEFORMACIÓN EN UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE

TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS

GALVIS TRIANA DANIEL ORLANDO

GONZALEZ ESPINOSA JUAN DAVID

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

MSc CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ AVILA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2017

PÁGINA DE ACEPTACIÓN

Firma del Tutor

Firma del Jurado

19 de abril de 2017

DEDICATORIA

Dedico este proyecto de grado en primer lugar a Dios, a mis padres y núcleo

familiar por su apoyo que me han brindado durante mi vida y mi carrera, por

compartir sus experiencias y conocimientos que me han ayudado a lograr victorias

día tras día agradezco a ellos por su dedicación y esfuerzo dado en los momentos

en que los necesite, por enseñarme los valores y principios que me han hecho la

persona que soy.

A mis familiares, que han sido una gran motivación para poder cumplir las metas

que me he propuesto, y que siempre han estado conmigo, para aconsejarme y

apoyarme incondicionalmente.

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y en especial a sus docentes

que brindaron sus conocimientos, para poder ser un buen profesional.

DEDICATORIA

En primera instancia a mi madre (Carmen Espinosa), persona a la cual le debo la

mayoría de mis logros alcanzados, sumado a su incondicional y emotivo apoyo a

través de las múltiples situaciones que se presentan en la vida, sin sus grandes

esfuerzos en su día a día por querer lo mejor para mi persona, no hubiese logrado

estar a instancias.

A mi padre (Alberto Gonzalez), que sin sus experiencias de vida, sin su

conocimiento de la vida, su creatividad e incondicional apoyo, sumado a todas las

experiencias vividas a su lado, pues me enseñó a andar por la vida sin miedo, con

ambición de aprender y con objetivos claros.

A mi novia (Loreen Gomez) desde hace mucho parte fundamental de mi familia,

compañía incondicional apoyando siempre mis metas y sueños, manteniendo su

apoyo y críticas en las mejores y desde luego peores decisiones

AGRADECIMIENTOS

Principal agradecimiento a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por

el apoyo, la infraestructura, los laboratorios y los docentes que intervienen en la

formación académica, personal y profesional.

A nuestro tutor, profesor y futuro colega MSc Carlos Arturo Bohórquez, por su

compromiso, dedicación, paciencia y sobre todo por esa gran vocación a la

enseñanza por la cual se caracteriza, siempre dispuesto a compartir sus logros e

investigación para poder guiar a sus alumnos a las metas propuestas.

Gracias a ese equipo de trabajo que logramos formar a través de años de estudio,

camaradería y amistad.

CONTENIDO

Págs.

Contenido

INTRODUCCION ..............................................................................................................................1

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................3

1.1 Definición del problema ........................................................................................................3

1.2 Justificación ............................................................................................................................4

2. OBJETIVOS ...............................................................................................................................6

2.1 Objetivo General ....................................................................................................................6

2.2 Objetivos Específicos ...........................................................................................................6

3. MARCO REFERENCIAL ..........................................................................................................7

3.1 Estado Del Arte ......................................................................................................................7

3.2 Marco Teórico ..................................................................................................................... 12

3.2.1 Acero De Medio Carbono.............................................................................................. 12

3.2.2 Propiedades Mecánicas De Los Aceros ..................................................................... 13

3.2.3 Deformación Elástica ..................................................................................................... 13

3.2.4 Deformación Plástica ..................................................................................................... 14

3.2.5 Fluencia Y Limite Elástico ............................................................................................. 15

3.2.6 Aceros Doble Fase ......................................................................................................... 17

3.2.7 Microestructura De Los Aceros Doble Fase .............................................................. 19

3.2.7.1 Perlita ........................................................................................................................... 20

3.2.7.2 Martensita .................................................................................................................... 21

3.2.7.3 Ferrita ........................................................................................................................... 22

3.2.8 Acero AISI/SAE 1045 .................................................................................................... 24

3.2.9 Aplicaciones .................................................................................................................... 25

3.2.10 Temperaturas Intercríticas ............................................................................................ 26

3.2.11 Tratamientos Térmicos .................................................................................................. 27

3.2.11.1 Temple ......................................................................................................................... 28

3.2.11.2 Revenido ...................................................................................................................... 29

3.2.11.3 Factores Importantes A Tener En Cuenta En Los

Tratamientos Térmicos .................................................................................................................. 30

3.3 Análisis Por Elementos Finitos ......................................................................................... 31

3.3.1 ANSYS, APDL (Ansys Parametric Design language) .............................................. 33

3.3.2 Condición de Frontera ................................................................................................... 33

3.4 Micromodelamiento de aceros doble fase ...................................................................... 34

3.5 Plasticidad Bilineal ............................................................................................................. 35

3.6 Marco Normativo ................................................................................................................ 37

4. DISEÑO METODOLOGICO ................................................................................................. 38

4.1 Metodología Del Desarrollo Del Proyecto ...................................................................... 38

4.1.1 Cálculo Y Obtención De Las Temperaturas Intercríticas ............................................... 38

4.1.2 Ensayo De Tensión Y Micrografía ..................................................................................... 38

4.1.3 Realización De La Programación En El Modulo Apdl De Ansys .................................. 38

4.1.3.1 Tipo de elemento .............................................................................................................. 39

5. DESARROLLO DEL PROYECTO ....................................................................................... 41

5.1 Adquisición del Material .......................................................................................................... 41

5.2 Prueba Química ....................................................................................................................... 41

5.3 Calculo de Temperaturas Intercríticas ................................................................................. 43

5.4 Maquinado del Material .......................................................................................................... 44

5.5 Temple y Revenido ................................................................................................................. 44

5.6 Pruebas de Tensión ................................................................................................................ 47

5.6.1 Graficas Esfuerzo-Deformación de la prueba de Tensión. ............................................ 47

5.6.1.1 Grafica Esfuerzo-Deformación Ingenieril y Real .......................................................... 48

5.7 Pruebas Metalográficas .......................................................................................................... 50

5.7.1 Micrografía............................................................................................................................. 50

5.7.2 Porcentaje de Fase .............................................................................................................. 51

5.8 Modelo Elástico-Plástico de la Curva de Flujo .................................................................... 55

5.9 Programación en plataforma APDL DE ANSYS ................................................................. 60

5.9.2 Tipo de elemento .................................................................................................................. 60

5.9.3 Propiedades de material ..................................................................................................... 61

5.9.4 Creación de modelo geométrico ........................................................................................ 69

5.9.5 Creación de malla ................................................................................................................ 70

5.9.6. Aplicación de restricciones de movimiento y carga ....................................................... 73

5.9.7 Generación de la programación y solución ...................................................................... 74

5.9.7 Generación de diagramas de Esfuerzo-Deformación reales ........................................ 89

6. RESULTADOS ....................................................................................................................... 92

7. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 94

8. RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 95

9. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 96

INDICE DE FIGURAS

Págs.

Figura 1. Microestructura de un Acero SAE1010 al que se le Realizo un Tratamiento

Térmico desde Temperaturas Intercríticas de 760ºC y 820ºC, Respectivamente. .........8

Figura 2. Curvas de Flujo del Acero Doble Fase. ................................................................ 12

Figura 3, Diagrama esquemático tension-deformacion con deformación elástica

lineal para ciclos de carga-descarga ...................................................................................... 14

Figura 4, Grafica esfuerzo vs. Deformación del acero ....................................................... 15

Figura 5, Curva de tracción típica de un metal que muestra las deformaciones

elástica y plástica, el límite proporcional P y el límite elástico σγ determinado como

la tensión para una deformación plástica del 0,002. (b) Curva de tracción típica de

algunos aceros ............................................................................................................................. 16

Figura 6, Grafica de esfuerzo - Deformación de una acero Dual Phase........................ 17

Figura 7, Vista de la microestructura del acero Dual Phase ............................................ 18

Figura 8, Limite elástico de los aceros tipo doble fase ..................................................... 19

Figura 9, Diagrama de transformación isotérmica de un acero eutectoide, con curva

de tratamiento térmico isotérmico (ABCD). Se muestran las microestructuras antes,

durante y después de la transformación austenita-perlita ............................................... 21

Figura 10, Fotomicrografía de un acero con microestructura martensitica. Los

granos en forma de aguja son el constituyente martensita y las regiones blancas

son austenita retenida: no se ha transformado durante el temple rápido. X1220 ...... 22

Figura 11, Ferrita .......................................................................................................................... 23

Figura 12, Micro estructura compuesta de ferrita y perlita, con baja resistencia

mecánica y baja dureza, acero 1045 AISI SAE antes del temple ..................................... 26

Figura 13, Problema estructural. a) Modelo idealizado; b) modelo de elemento finito

.......................................................................................................................................................... 33

Figura 14, Material no lineal: (a) Elasticidad no lineal y (b) Elasto-plasticidad ........... 35

Figura 15, Representación geométrica de la regla de endurecimiento considerada en

el espacio de esfuerzo (a) Endurecimiento isotrópico y (b) endurecimiento

cinemático...................................................................................................................................... 36

Figura 16, Esquema de elemento Plane 182 bilineal de 4 nodos tipo solido ............... 39

Figura 17, Esquema de grados de libertad del elemento de 4 nodos rectangular ..... 40

Figura 18, Esquema de funciones elemento de 4 nodos rectangular ........................... 41

Figura 19, Dimensiones de las Probetas ............................................................................... 44

Figura 20, Representación Esquemática de la secuencia del Tratamiento Térmico

Efectuado ....................................................................................................................................... 45

Figura 21, Temple en mufla eléctrica Labtech/LEF-P ......................................................... 46

Figura 22, Enfriamiento a Temperatura Ambiente Después del Revenido ................... 46

Figura 23, Prueba de Tensión en la maquina universal de ensayos UH-A Shimadzu 47

Figura 24, Grafica Esfuerzo-Deformación Ingenieriles Promedio de las Pruebas de

Tensión ........................................................................................................................................... 48

Figura 25, Grafica Esfuerzo-Deformación Reales Promedio de las Pruebas de

Tensión ........................................................................................................................................... 49

Figura 26, Grafica Esfuerzo-Deformación ingenieriles y Reales de la prueba de

Tensión ........................................................................................................................................... 49

Figura 27, Probetas para el Estudio Micrográfico ............................................................... 50

Figura 28, Microestructura del Acero AISI/SAE 1045, a) 200X b) 500X ......................... 50

Figura 29, . Microestructura del Acero AISI/SAE 1045 Templado en Aceite Desde la

...................................... 51

Figura 30, Microestructura del Acero AISI/SAE 1045 Templado en Aceite Desde la

.................................... 51

Figura 31, Porcentaje de Fase del Acero AISI/SAE 1045 Material Base ........................ 52

Figura 32, Porcentajes de Fase del Material Base .............................................................. 52

Figura 33, Porcentaje de Fase del Acero AISI/SAE 1045 Temperatura 726ºC ............. 53

Figura 34, Porcentaje de Fase del Material a 726ºC ............................................................ 53

Figura 35, Porcentaje de Fase del Acero AISI/SAE 1045 Temperatura 788ºC ............. 54

Figura 36, Porcentaje de Fase del Material a 788ºC ............................................................ 54

Figura 37, Curva de flujo de la Fase Ferrita-Perlita en el Material Base........................ 57

Figura 38, Curva de flujo de la Fase Ferrita-Martensita en la Temperatura 726ºC ..... 58

Figura 39, Curva de flujo de la Fase Ferrita- ..... 59

Figura 40, Selección del tipo de análisis ............................................................................... 60

Figura 41, Selección del tipo del tipo de elemnto ............................................................... 61

Figura 42, Librería de elementos finitos de la plataforma Ansys APDL........................ 61

Figura 43, Selección de material N° 1- Propiedades-lineales y bilineales isotrópicas

.......................................................................................................................................................... 62

Figura 44, Selección de material N° 2- propiedades Lineales-Bilineales isotrópicas

.......................................................................................................................................................... 62

Figura 45, Material base- Propiedades lineales isotrópicas para cada fase (ferrita y

perlita) ............................................................................................................................................. 63

Figura 46, Material base- Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase perlita ......... 63

Figura 47, Material base- Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase ferrita .......... 64

Figura 48, Material con temple a 726°C - Propiedades-lineales isotrópicas para fase

martensita ...................................................................................................................................... 64

Figura 49, Material con temple a 726°C - Propiedades-Bilineales isotrópicas para

fase martensita ............................................................................................................................. 65


Ferrita .............................................................................................................................................. 65


fase Ferrita ..................................................................................................................................... 66


martensita ...................................................................................................................................... 66


fase martensita ............................................................................................................................. 67


ferrita ............................................................................................................................................... 67


fase ferrita ...................................................................................................................................... 68

Figura 56, Grafica -Tendencia bilineal isotrópica de las propiedades de un material.

.......................................................................................................................................................... 68

Figura 57, Esquema de material base SAE 1045 ................................................................. 69

Figura 58, Esquema de material SAE 1045 a temperatura de 726°C .............................. 69

Figura 59, Esquema de material SAE 145 a temperatura de 788°C ................................ 70

Figura 60, Selección de líneas para enmallado área por elemento finito ..................... 71

Figura 61, Cambio de parámetro de malla ............................................................................ 71

Figura 62, Creación de la malla sobre el modelo ................................................................ 72

Figura 63, Enmallado completo del modelo de la modelo ................................................ 72

Figura 64, Aplicación de restricciones para desplazamientos en las direcciones X y

Y ........................................................................................................................................................ 73

Figura 65, Control de Parámetros de la carga ...................................................................... 73

Figura 66, Aplicación de cargas para en la dirección X (Líneas rojas) ....................... 74

Figura 67, Programación- Parámetros para definir la cantidad de datos generados

para Esfuerzos y deformaciones. ............................................................................................ 74

Figura 68, Programación- Selección de tipo de elemento y espesor del análisis ...... 75

Figura 69, Programación- Aplicación de las propiedades de cada fase del material 75

Figura 70, Programación- Creación de las áreas de cada fase ....................................... 76

Figura 71, Programación- Aplicación de la carga y generación de archivos DATF y

DATA en formato .txt ................................................................................................................... 76

Figura 72, Deformación elástica material base SAE 1045 (A) Carga de 52*10-6 N, (B)

Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N. ........................................................................ 77

Figura 73, Deformación elástica material SAE 1045 a temperatura de 726°C (A)

Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N, (D) Carga de

1000*10-6 N. ................................................................................................................................... 78

Figura 74, Deformación elástica material SAE 1045 a temperatura de 788°C, (A)


1000*10-6 N. ................................................................................................................................... 79

Figura 75, Deformación plástica material base SAE 1045, (A) Carga de 52*10-6 N, (B)

Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N. ........................................................................ 80

Figura 76, Deformación plástica material SAE 1045 a temperatura 726°C, (A)

Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 600*10-6 N, (C) Carga de 800*10-6 N. ..................... 81

Figura 77, Deformación platica material SAE 1045 a temperatura 788°C, (A)

Carga de 277*10-6 N, (B) Carga de 600*10-6 N, (C) Carga de 1000*10-6 N. .................. 82

Figura 78, Esfuerzo de Von mises material SAE 1045 BASE. (A) Carga de 52*10-6 N,

(B) Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N. .................................................................. 83

Figura 79, Esfuerzo de Von mises materia SAE 1045 a temperatura 726°C (A)


1000*10-6 N. ................................................................................................................................... 84

Figura 80, Esfuerzo de Von mises materia SAE 1045 a temperatura 788°C , (A)


1000*10-6 N. ................................................................................................................................... 85

Figura 81, Esfuerzo equivalente zona plástica material base SAE 1045, (A)

Carga de 52*10-6 N, (B) Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N. ........................... 86

Figura 82, Esfuerzo equivalente material SAE 1045 a temperatura 726°C (A)

Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N. ..................... 87

Figura 83, Esfuerzo equivalente zona plástica en material SAE 1045 a temperatura

788°C, (A) Carga de 277*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N y

(D) Carga de 1000*10-6 N. .......................................................................................................... 88

Figura 84, Diagrama esfuerzo-deformación Material base SAE 1045 .......................... 89

Figura 85, Diagrama material templado a 726 ºC ................................................................. 90

Figura 86, Diagrama material templado a 788 ºC ................................................................. 90

Figura 87, Diagrama de las muestras analizadas del material SAE 1045 ..................... 91

Figura 88, Diagrama de comparación del material base SAE 1045 ................................ 92

Figura 89, Diagrama de comparación del material con Temple a 726°C ....................... 93

Figura 90, Diagrama de comparación del material con Temple a 788°C ....................... 93

ÍNDICE DE TABLAS

Págs.

Tabla 1.Propiedades de inclusión como una función de la temperatura usada en

este modelo ................................................................................................................................... 11

Tabla 2, Composición química del acero AISI/SAE 1045 .................................................. 24

Tabla 3, Propiedades físicas del acero AISI/SAE 1045 ...................................................... 25

Tabla 4, Propiedades de la ferrita y la martensita (valores de referencia) ................... 35

Tabla 5. Composición Química del Acero AISI/SAE 1045. ................................................ 42

Tabla 6. Temperaturas Ac1, Ac3 y Ms para el acero AISI/SAE 1045. ............................. 43

Tabla 7. Porcentaje de Fase Presente en cada Tratamiento del Material. .................... 55

Tabla 8. Propiedades de cada una de las fases. .................................................................. 59

1

INTRODUCCION

En la sociedad actual al paso de los días incrementa la demanda por el constante

mejoramiento en las propiedades de los materiales, por lo tanto las

investigaciones se enfocan en el desarrollo y estudio de múltiples métodos para

mejorar las cualidades de tales materiales, en cuanto a la industria automotriz se

refiere, tal caso es de las estructuras para los vehículos, se enfatizan en la

búsqueda de materiales ligeros para lograr ahorros de combustible sumado a una

relación entre prestaciones de alta resistencia y soportar mayores

deformaciones,Hernan LORUSSO, 2008 [1]. Para suplir o lograr una solución a

esta necesidad se han desarrollado constantes investigaciones con los aceros

dual phase (DP), dichos aceros de última generación se aplican en partes

estructurales presentando alta resistencia mecánica del orden de 600 a 1000 Mpa,

manteniendo muy buena conformabilidad, sin embargo existen diferentes

materiales base (aceros micro aleados, aceros de grano ultra fino, acero al C-Mn)

[2].

La versatilidad en el comportamiento de la microestructura del acero se muestra a

la hora de ser tratado térmicamente, esto traduce en una relación directa con las

propiedades mecánicas del material, permitiendo que, a partir de una necesidad

específica para la utilización del material se aplique un tratamiento térmico con

características específicas que mejoren el comportamiento de dicha propiedad ya

sea por el desarrollo de perlita, bainita, esferoidita o martensita, puesto que, son

las que afectan de manera directa el comportamiento y composición del acero.

Los programas de Diseño Asistido por Computador (CAD) son una herramienta

que mejora y facilita de manera exponencial el desempeño a la hora de diseñar, y

sobre todo simular comportamientos, de ahí, sus beneficios en el momento de

tomar decisiones que tengan que ver, con el establecimiento de algún método o

producto, dichos beneficios se presentan en optimización de tiempo y utilidades

económicas.

Estos programas cuentan con técnicas de Metodología por Elementos Finitos

(FEM), los cuales permiten modelar comportamientos mecánicos de los

materiales, delimitando todos los factores que pudiesen afectar al modelo, por

consiguiente se generan análisis del modelo que describen el comportamiento

ocasionado por dichos factores previamente establecidos, estos análisis permiten

2

comparaciones entre lo teórico y lo práctico, además de otras aplicaciones que

ofrecen los programas CAD.

Dicho comportamiento puede ser modelado en un programa CAD, a partir de

establecer los parámetros delimitadores o zonas de frontera que simulen el

comportamiento de los efectos, que afecten directamente el material, esto con el

fin de establecer un micromodelado o macromodelado con el cual, se puedan

tomar decisiones en el diseño, sin la necesidad de estar disponiendo de los

laboratorios de pruebas mecánicas para analizar resultados y tomar decisiones.

3

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 Definición del problema

Hoy en día los avances tecnológicos han ayudado mucho al estudio y análisis de

los materiales, contribuyendo de esta forma el poder evaluar y dar

especificaciones correctas sobre el comportamiento de ciertos materiales, que con

la metodología común es muy complicado evaluarse a nivel microestructural.

Estos análisis y experimentos han llevado al acero a estar dentro de la

clasificación de la materia prima más usada para aplicaciones industriales de todo

tipo, aportando un amplio conocimiento de la capacidad que tiene un acero para

usarse en diferentes aplicaciones según sus propiedades mecánicas.

Teniendo en cuenta que se ha progresado a nivel tecnológico, se ha observado

que en muchas aplicaciones ingenieriles, no se tiene un total conocimiento sobre

cómo se comporta un acero a nivel microestructural, cuando este es sometido a

diferentes temperaturas intercríticas, y poder establecer ciertos parámetros

teóricos de aplicación de tratamientos térmicos, que afecten de manera directa

sobre material, fortaleciendo sus propiedades mecánicas; también se puede

evidenciar que el conocimiento de la composición química de cada uno de los

aceros, en muchos de los casos es de análisis teórico y por consiguiente las

temperaturas intercríticas evaluadas para cada tratamiento térmico pueden variar

y afectar de manera negativa las propiedades naturales de un acero determinado.

Dicho lo anterior se pude hablar que el análisis de microestructura en aceros no ha

tenido el suficiente argumento teórico práctico, que garantice el comportamiento

del material y el buen desempeño de las propiedades mecánicas.

Dentro de todas la aplicaciones industriales que se conocen sobre tratamientos

térmicos aplicados a los diferentes aceros, se tiene conocimiento sobre los más

usados como el temple y el revenido pero las aplicaciones de estos tratamientos

están basadas en evidencias teóricas que dan un indicio de las propiedades que

debe tener un acero tratado, más no se ha dado una comparación precisa de la

teoría y la práctica del estado de una acero en particular para poder evaluar de

manera más aproximada un material; existen materiales que son muy comerciales

como el AISI/SAE 1045 con el cual se ha logrado muchas cosas importantes a

nivel industrial ,se ha estudiado la parte de la aplicación de tratamientos térmicos

sobre este, ya que, en la industria se encuentra en la clasificación de los aceros de

4

medio carbono y normalizado, contemplando la microestructura del acero y

analizando el efecto sobre este material. Las observaciones y conocimientos

aportados de lo dicho anteriormente son de gran utilidad para asemejar esto a un

estudio experimental de cambio de fase del acero SAE 1045 basados en la

modelación por elementos finitos de la microestructura del mismo acero, así

concluyendo con nuevos valores aproximados a la realidad del comportamiento de

este acero.

1.2 Justificación

Para cumplir con la fabricación y exigencias de diversas piezas utilizadas en la

industria actual, se necesita una sustancial mejora en las cargas que pueden

llegar a soportar, o en resumen mejorar un gran parte sus propiedades ante esto,

existe una limitante importante y es que también se deben de optimizar los costos

del material, por esta fundamental razón, los ingenieros e investigadores aplicaron

y combinaron procesos que se han usado desde hace cientos de años para

mejorar las propiedades del material de manera sencilla y sin alterar los tan

importantes costos de producción. Los tratamientos térmicos ofrecen múltiples

mejoras para suplir las necesidades mecánicas de su aplicación, uno de los

múltiples resultados de estas transformaciones del material son los aceros (Dual

Phase Steel), pues son aceros que aumentan su resistencia y no necesariamente

contiene altos porcentajes de Carbono.

Con la utilización de software aplicado para el análisis de elementos finitos en una

interfaz confiable y de amigable interacción con el usuario (ANSYS, 14.0., con su

módulo de APDL), por medio de una programación específica permite realizar un

Micromodelamiento mecánico del diagrama esfuerzo-deformación de un acero

estructural de medio al carbono AISI 1045 que ha sido templado desde

temperaturas intercríticas; en donde se pueden variar comportamientos,

parámetros y propiedades, con tan solo cambiar algunas funciones en APDL,

realizar este proceso ofrece múltiples ventajas pasando por optimización de costos

para realizar pruebas, así como disminución de tiempos, y versatilidad en el

análisis pues basta con cambiar propiedades para obtener múltiples resultados,

permitiendo diversidad de experimentos sin necesidad de acudir a una alta

cantidad de probetas y recursos específicos.

Dentro de los estudios y análisis realizados para la variación de los aceros

sometidos a tratamientos térmicos se observa que se puede hacer mejoras de los

aceros normalizados, hallando las temperaturas intercríticas para que se pueda

5

aprovechar esto en la microestructura, contemplando el cambio de doble fase en

el acero y evaluando métodos más óptimos y aplicables que no necesiten tan

elevados costos por su complejidad de análisis. Estos aceros llegan a ser de muy

buena resistencia con una densidad aproximadamente baja, por tal razón se

requiere analizar y evaluar de una forma experimental y teórica el acero SAE 1045

queriendo de esta manera poder establecer una micro modelación en base a

resultados prácticos donde se pueda mostrar la influencia y la afectación de este

acero en un cambio de fase debido a tratamientos térmicos.

También este procedimiento es de mucha ayuda para establecer condiciones de

fabricación y aplicación en la industria no solo automotriz sino también para

fabricación de otro tipo de máquinas y poder contribuir a la funcionalidad y servicio

que llega a tener un acero que es muy comercial por sus características,

propiedades y su costo, algo muy beneficioso para la industria y la economía.

6

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo General

1. Realizar el Micromodelamiento Mecánico de los diagramas Esfuerzo-

Deformación en un acero AISI 1045 templado desde temperaturas

intercríticas mediante elementos finitos en el módulo APDL del software

ANSYS.

2.2 Objetivos Específicos

1. Obtener las temperaturas intercríticas AC1 Y AC3 del material a partir de su

composición química y establecer la secuencia de tratamientos térmicos.

2. Construir las probetas de acuerdo a la norma ASTM E-8 y hacer los

correspondientes ensayos de tensión sobre las mismas.

3. Elaborar el micromodelo y realizar la programación para obtener los

diagramas mediante el APDL del Ansys y realizar las comparaciones con

los obtenidos experimentalmente.

7

3. MARCO REFERENCIAL

3.1 Estado Del Arte

Al observar que en la industria se encuentran muchas aplicaciones en cuanto al

acero SAE 1045, se evidencia que es usado en muchas partes de sistemas

mecánicos como lo son bielas, ejes engranajes, pistones entre otros más, debido

a esto se encontró que este tipo de aceros ha sido estudiado para poder mejorar

sus propiedades mecánicas como lo es su resistencia mecánica y su densidad.

Estos estudios lo que han demostrado que se puede convertir este acero

normalizado a un acero doble fase por medio de tratamientos térmicos como el

temple que hace que un material sea más duro superficialmente y el revenido que

alivia tensiones internas del material ayudando a que este no se cristalice de una

manera muy alta y no sea frágil. La manera en que se logra la transformación

desde la perspectiva micro estructural es elevando el acero a una temperatura de

austenización hasta que el material en un tiempo determinado tenga un nivel de

temperatura homogéneo , luego de esto se enfría en agua, aceite o temperatura

ambiente a una alta velocidad obteniendo un cambio de fase de austenita a

martensita luego se calienta el material para hacer una distribución de tensiones

internas y se pone en enfriamiento controlado, este procedimiento es el adecuado

y el que la industria ha utilizado para mejorar las propiedades mecánicas y

estructurales del acero.

Los aceros doble fase (DP) son conocidos en el mundo automotriz ya que gracias

a estos se ha podido evaluar la relación que existe entre peso y resistencia del

material, puesto que los automóviles entre menor peso tengan, reducirán en un

porcentaje el combustible gastado, por tal razón se tiene conocimiento de algunas

aspectos que se han evaluado para mejoras de este aspecto en cuanto a la

estructura molecular de ciertos aceros. Muchos investigadores de esta área se

han puesto a la tarea de analizar los modelos de microestructura; en el 2009

Movahed [28], realizo pruebas con probetas de 2 milímetros tratadas

térmicamente a temperaturas intercríticas donde se evaluó que las fracciones

volumétricas de martensita en un porcentaje del 50% del valor de la resistencia ala

fluencia en un material que puede mejorar o disminuir según a la temperatura que

este, llegando a la conclusión que la microestructura formada al aplicar un

tratamiento térmico afecta las propiedades, ya que, evidencio que un acero

normalizado sin tratar su matriz ferritica tiene muy buena ductilidad, en cambio las

8

partículas formadas por la martensita, soportan grandes cargas sin verse afectado

el material en su servicio (ver figura 1); debido a esto también se llegó hacer otro

estudio (Huseyin) [29], donde la templabilidad que puede tener la fase austenita

involucrando variables como la velocidad de calentamiento del material, el tiempo

de duración del tratamiento, afectan una relación teórica y experimental de la

microestructura de dos materiales en mismas condiciones.

Figura 1. Microestructura de un Acero SAE1010 al que se le Realizo un

Tratamiento Térmico desde Temperaturas Intercríticas de 760ºC y 820ºC,

Respectivamente.

Figura tomada de, The effect of intercritical heat treatment temperature on the tensile properties

and work hardening behavior of ferrite–martensite dual phase steel sheets [28].

Se realizó un micro modelamiento idealizado [3] donde se configuro una matriz de

ferrita y martensita tomando un volumen experimental que solo consideraba la

deformación elástica y plástica. También se logró en el 2004 (Al-Abbasi) [3], por el

autor un estudio y análisis sobre la influencia de las propiedades mecánicas de

condiciones del material como la tensión, impacto, fatiga y dureza cuando un

acero AISI 3115 es sometido a tratamientos térmicos con temperaturas

intercríticas, este estudio arrojo como resultado que el aumento de la tensión y

dureza en progresivo durante la temperaturas intercríticas pero que la energía

absorbida disminuye, esto considerablemente dejo claro que los tratamientos

producen cambios en la resistencia del materia mejorando sus propiedades;

también este mismo autor junto a Nemes [3] en el 2003 señalan que los modelos

de la microestructura de los aceros DP(doble fase) no han tenido la atención

necesaria ya que no se ha hecho la investigación apropiada de la combinación de

9

las propiedades mecánicas que pueden llegar a tener, por tal razón se enfocaron

en modelos de microestructura para evaluar mecanismos de la formación

macroscópica teniendo en cuenta las deformaciones plásticas y elásticas.

En consecuencia al análisis experimental se llevó a cabo una evaluación de una

microestructura tratada térmicamente bajo condiciones de parámetros de tiempos

y medio de enfriamiento (Rocha) [4]. Se puede hablar de una característica y

condición más importante dentro de los estudios realizados es donde se dice que

experimentalmente el esfuerzo de fluencia aumenta y el de fractura disminuye con

la temperatura intercrítico muy alta [4]. Los modelos ya constituidos por varias

investigaciones evalúan la parte de tratamientos térmicos con las deformaciones

elásticas, plásticas y su cambio de fase según condiciones de temperaturas

intercríticas asignadas.

Autores en el 2011 (Yoshida B. B.)[30], Hacen estudios sobre la microestructura

de los aceros, llegan a la conclusión que existen dos mecanismos para la

deformación plástica, uno de estos es debido a que la martensita lleva consigo

esfuerzos internos por el cambio volumétrico que sufre al tener un servicio de

trabajo, el otro se da a la formación de la combinación natural que existe entre la

martensita y ferrita, estos dos anteriores procesos son por difusión y no difusión.

También se ha investigado sobre métodos de evaluación y análisis que nos

ayudan de manera más óptima a saber el comportamiento de los aceros tratados

térmicamente en este caso uno de los métodos es el computacional; a nivel

nacional no se ha implementado esta herramienta en este tema pero existen

referencias en otro países sobre esto, uno de los investigados es Brasil (Silva,

2004), los cuales estudiaron el acoplamientos termo mecánico entre la austenita y

la martensita a través de un software de imágenes metalográficas. Otros países

que incursionaron el tema fueron Argentina y Chile (Rodriguez, 2004) [32], quienes

analizaron las propiedades mecánicas de los aceros doble fase por medio de un

método numérico a partir de datos tomados de un ensayo de dureza.

Como se observó anteriormente el uso del software CAD y FEM (Finite Element

Method) no se encontraba tan desarrollado a diferencia de la actualidad, como lo

muestran Akash Ghuta, Sharad Goyal, K.A. Padmanabhan, A.K. Singh, en su

artículo titulado Inclusiones En El Acero: Modelos Micro-Macro Para La

Aproximación Del Análisis De Los Efectos De Inclusión Sobre Las Propiedades

Del Acero [6], proponen suministrar una metodología computacionalmente

eficiente para la conexión de modelos a microescala y macroescala. Iniciando con

10

un micromodelo para el sistema de inclusión-matriz el cual es construido. Ese

micromodelo se usa para identificar el cambio del modelo del material a un

material homogéneo equivalente. El modelo del material equivalente, obtenido del

material homogéneo se usa en el macromodelo para obtener los parámetros del

proceso adecuado.

El micromodelo simula el comportamiento de la inclusión en la matriz de acero. El

comportamiento de deformación plana es asumido. Bidimensional (2-D) basado-

FEM y micromecánica para analizar la distribución de tensiones en el sistema de

inclusión de la matriz, así como el comportamiento de la interfaz, es decir, la

formación de huecos en la interface de la inclusión de la matriz, que se observa

experimentalmente en el caso de inclusiones duras presentes en la matriz de

acero.

Luego de esto usaron dos ecuaciones de elementos finitos, la primera para regir el

problema de mecánica estática (ecuación 1) [6] y la segunda sigue el principio del

trabajo virtual (ecuación 2) [6].

𝜎𝑖𝑗,𝑗 + 𝑓𝑖𝐵 = 0 (1)

∫ 𝜎𝑖𝑗𝛿𝑒𝑖𝑗𝑑𝑉𝑉

= ∫ 𝑓𝑖𝐵𝛿𝑢𝑖𝑑𝑉

𝑉+ ∫ 𝑓𝑖

𝑆𝛿𝑢𝑖𝑑𝑆𝑆

(2)

Para aplicar el micromodelo se simularon las condiciones de laminado en caliente,

los estudios de simulación se ejecutaron a diferentes temperaturas y velocidades

de deformación para diferentes fracciones de volumen de inclusión. Las

inclusiones se consideraron en estado esférico y duro (𝐴𝑙2𝑂3) con propiedades

elástico-plástico (endurecimiento bilineal isotrópico) observados en la tabla 1. Se

considera el modulo tangencial como 10% del módulo de Young a una

temperatura dada. La matriz de acero es considerada en estado elástico-plástico

con comportamiento de endurecimiento por ley de potencia [6].

11

Tabla 1.Propiedades de inclusión como una función de la temperatura usada

en este modelo

Tomada del artículo Inclusions In Steel: Micro–Macro Modelling Approach To Analyse The Effects

Of Inclusions On The Properties Of Steel [6].

Actualmente los estudios que se tienen de macromodelos, relacionan la

microestructura del material por medio de ecuaciones ya establecidas, con el

modelo que se desarrolla en el CAD; la investigación de Maedeh Amirmaleki,

Javad Samei, Daniel E. Green, Isadora Van Riemsdijk y Lorna Stewart titulado

Micromodelamiento Mecánico 3D del Acero Doble Fase Usando el Método de

Volumen Representativo del Elemento [28], se basó primero en desarrollar la parte

teórica y experimental de las micrografías del acero seleccionado, con el

porcentaje de fases encontrado en la micrografía y una serie de datos, se resolvió

la ecuación 3[28], que describe el esfuerzo del material, cuando se varia su

deformación.

𝜎 = 𝜎0 + ∆𝜎0 + 𝛼 × 𝑀 × 𝜇 × √𝑏 × √1−exp (−M𝑘𝑡𝜀)

𝑘𝑟×𝐿 (3)

Con el método de volumen representativo (RVE) que ha sido una técnica popular

para el micromodelado mecánico de aceros doble fase. Se considera

generalmente que el modelo 2D subestima las curvas de flujo y que el modelo 3D

predice con mayor precisión las curvas esfuerzo-deformación experimentales. Sin

embargo, gran parte de la investigación se ha centrado en el modelado 2D. Este

trabajo desarrollo Micromodelos mecánicos 3D de DP500 y aceros DP600

ayudados con bainita mediante la inclusión de datos estadísticos cuantitativos de

metalografía en los modelos. Se analizaron más de 3.000 granos en cada acero.

Por lo tanto, tanto la fracción de volumen como la morfología de la martensita se

12

determinaron estadísticamente. Este modelo predijo la resistencia a la tracción

final de estos dos aceros de doble fase con menos del 0,5% de error [28].

Figura 2. Curvas de Flujo del Acero Doble Fase.

Tomada del artículo 3D micromechanical modeling of dual phase steels using the representative

volume element method [28].

3.2 Marco Teórico

3.2.1 Acero De Medio Carbono

Estos aceros contienen unos porcentajes de carbono que pueden variar entre 0.25

0,6%. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediantes austenización,

temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se suelen utilizar en

la condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de

aceros de baja templabilidad, solo tratables en piezas de delgada sección y

velocidades de temple muy rápidas. Las adiciones de cromo, níquel y molibdeno

mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente,

generando así una voluminosa cantidad de combinaciones entre la resistencia y la

13

ductilidad. Estos aceros tratados térmicamente son más resistentes que los aceros

bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se utilizan para fabricar ruedas

y railes de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que

necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad.

3.2.2 Propiedades Mecánicas De Los Aceros

En el libro ciencia e ingeniería de los materiales de CALLISTER, hablan sobre las

propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando precisos

ensayos de laboratorio que reproducen las condiciones de servicio hasta donde

sea posible. Los factores que deben considerarse son la naturaleza de la carga

aplicada, su duración, así como unas condiciones propias del medio, existen

diferentes tipos de carga como de tracción, compresión o cizalladura, también

puede variar su magnitud y esta puede ser constante en el tiempo o bien puede

fluctuar continuamente. El tiempo de aplicación puede ser de solo una fracción de

segundo o un periodo que puede tardar varios meses. La temperatura de servicio

puede ser un factor importante [8].

3.2.3 Deformación Elástica

El porcentaje con el que se deforma una estructura depende en gran medida de la

magnitud de la tensión a la que es expuesta. Por esto, para muchos materiales

que son sometidos a esfuerzos de tracción con pequeñas magnitudes, la tensión y

la deformación son proporcionales a la ley de Hooke.

Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación

se denomina deformación elástica [8].

14

Figura 3, Diagrama esquemático tension-deformacion con deformación

elástica lineal para ciclos de carga-descarga

Tomada del libro de Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales [8].

Al mostrar la tensión en el eje de ordenadas en función de la deformación en el eje

de las abscisas se obtiene una relación lineal. La pendiente que se puede

observar en la gráfica corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede

ser interpretado como como la rigidez, o la resistencia de una material a

deformación elástica. Cuanto mayor es el modulo, más rígido es el material, dando

como resultado una menor deformación elástica que se produce como la

aplicación de una tensión. Cabe aclarar que esta deformación no es permanente,

traduce en que cuando se deja de aplicar la fuerza, el material regresa a su forma

original [8], la aplicación de la carga corresponde al movimiento desde el origen a

lo largo de la línea recta. Al retirar la carga la línea es recorrida en la dirección

opuesta volviendo al origen.

3.2.4 Deformación Plástica

Una definición sencilla se toma como, la propiedad del material donde después de

retirar la fuerza que se está aplicando sobre el material este no puede regresar a

su estado original o inicial, sino que por el contrario sufre una deformación

permanente. Un material completamente plástico es aquel que no regresa a sus

dimensiones originales al suprimir la carga como se mencionó antes y adicional a

esto posee un límite elástico muy pequeño [33].

Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente

persiste hasta deformaciones de alrededor 0.005 [8]. A medida que el material se

15

deforma más allá de ese punto la tensión deja de ser proporcional a la

deformación y pasa a ser una deformación plástica, la cual es permanente, por lo

tanto, no recuperable. Viéndolo desde un punto de vista atómico corresponde a la

rotura de los enlaces entre los átomos vecinos más próximos y a la reformación de

éstos con nuevos vecinos, ya que un gran número de átomos o moléculas se

mueven unos respecto a otros y al eliminar la tensión no pueden volver a sus

posiciones originales.

Figura 4, Grafica esfuerzo vs. Deformación del acero

Tomada de Aceros Estructurales Americanos [17]

3.2.5 Fluencia Y Limite Elástico

Para los metales que experimentan la transición elastoplastica de forma gradual,

el punto de fluencia puede determinarse como la desviación inicial de la linealidad

de la curva tension-deformacion; este punto se denomina a menudo limite

proporcional, y está indicado por P en la Figura 5a. En tales casos, la posición de

este punto no puede ser determinada con precisión. Por este motivo se ha

establecido una convención por la cual se traza una línea recta paralela a la línea

elástica del diagrama de la tension-deformacion desplazada por una determinada

deformación, usualmente 0,002. La tensión correspondiente a la intersección de

esta línea con el diagrama tensión deformación cuando este se curva se denomina

límite elástico, 𝝈𝒚. Esto se muestra en la Figura 5a.

16

Algunos aceros y otros materiales exhiben el tipo de diagrama tensión-

deformación mostrado en la Figura 5b. La transición elastoplastica está muy bien

definida y ocurre de forma abrupta y se denomina fenómeno de discontinuidad del

punto de fluencia. En el límite de fluencia superior, la deformación plástica se inicia

con una disminución de la tensión. La deformación prosigue bajo una tensión que

fluctúa ligeramente alrededor de un valor constante, denominado punto de fluencia

inferior. En los metales en que ocurre este fenómeno, el límite elástico se toma

como el promedio de la tensión asociada con el límite de fluencia inferior, ya que

está bien definido y es poco sensible al procedimiento seguido en el ensayo. Por

consiguiente, no es necesario utilizar el método del 0,2 % de deformación para

estos materiales.

La magnitud del límite elástico de un metal es una medida de su resistencia a la

deformación plástica. Los limites elásticos están comprendidos entre 35 Mpa

(5000 psi) para un aluminio de baja resistencia hasta valores superiores a 1400

Mpa (200000 psi) para aceros de alta resistencia [8].

Figura 5, Curva de tracción típica de un metal que muestra las

deformaciones elástica y plástica, el límite proporcional P y el límite elástico

σγ determinado como la tensión para una deformación plástica del 0,002. (b)

Curva de tracción típica de algunos aceros


17

3.2.6 Aceros Doble Fase

También llamados acero de fase Dual, se caracterizan por poseer en su estructura

interna una completa matriz de ferrita así como una fase martensitica, este

segundo componente permite que el material pueda ganar resistencia a la fatiga y

obtener mejoras en la resistencia a la tensión, por otro lado la matriz de ferrita es

la encargada de incrementar las propiedades dúctiles del material, lo anterior

haciendo una comparación con los aceros HSLA (aceros micro aleados) que

poseen alta resistencia pero baja ductilidad y también con aceros al bajo carbono

que poseen una baja resistencia pero alta ductilidad, otra característica de los

aceros de doble fase es que poseen una excelente capacidad para la absorción de

energía.

Con lo anteriormente dicho los aceros dual phase son un excelente candidato para

las partes estructurales de vehículos, como lo pueden ser travesaños, refuerzos

estructurales, vigas longitudinales, sumado a esto se pueden usar como sustitutos

de piezas de aceros de alta resistencia convencionales con lo que da como

resultado un ahorro o disminución en el peso y espesor, que finalmente traduce en

ahorro de mano de obra, de procesos de manufactura y hasta ahorro de

combustible.

Figura 6, Grafica de esfuerzo - Deformación de una acero Dual Phase

Tomada de heterogeneous-plastic-deformation-in-dual-phase-steel [34]

18

La estructura interna de estos aceros es la que determina sus propiedades de

resistencia y ductilidad tan deseadas y que se contienen en un solo material al

contrario de lo que pasa en los aceros HSLA que tienen altas resistencias pero

bajas ductilidades y los aceros al carbono que tienen baja resistencia y alta

ductilidad. La imagen a continuación muestra por medio de un ensayo

metalográfico la microestructura interna de este tipo de aceros por medio de la

toma de fotos en un microscopio de alta resolución, aunque cabe resaltar que por

los procesos de producción y por algunas características especiales los aceros DP

en ocasiones también tienen otros contenidos en la microestructura como lo es la

vainita y algunos otros elementos que pueden mejorar algunas propiedades, pero

esto ya es propiamente por el proceso en específico para obtener un material

característico en especial [35].

Figura 7, Vista de la microestructura del acero Dual Phase

Tomada de heterogeneous-plastic-deformation-in-dual-phase-steel [34]

El proceso de endurecimiento por cocción va a dotar a estos materiales de una

mayor resistencia como consecuencia de la aparición de compuestos

intermetálicos. El acero DP es un acero apto para estampación y deformación en

frío. La gama de los aceros DP se puede estampar en útiles clásicos optimizando

los ajustes. Los esfuerzos de estampación aumentarán cerca del 20% en relación

con un acero de tipo micro aleado del mismo espesor [36].

19

Figura 8, Limite elástico de los aceros tipo doble fase

Tomado De Taladrado Por Fricción En Aceros De Doble Fase De Alta Resistencia [36].

En relación a la nomenclatura de estos aceros, debido a que los métodos

utilizados para su identificación varían de forma considerable en todo el mundo, la

industria siderúrgica de forma global, recomendó un sistema de clasificación que

define su límite elástico y su límite de rotura. Bajo esta nomenclatura, los aceros

son identificados como “XX aaa/bbb”, donde: Por ejemplo, en este sistema de

clasificación, DP 500/800 se refiere a un acero de fase doble con un límite elástico

de 500 N/mm2 y un límite de rotura de 800 N/mm2. En algunas ocasiones nos

podemos encontrar con una versión abreviada de este sistema, en la que sólo se

indica el límite elástico, en este caso DP 500.

Sin embargo, los aceros DP presentan algunos problemas durante el proceso de

fabricación, como la rotura de herramientas a causa de los elevados

requerimientos de carga necesarios para la conformación de las piezas, así como

los insertos endurecidos y los filos de las cuchillas de corte que pueden

desgastarse en el transcurso del mecanizado. Problemas de calidad en las

dimensiones de las piezas que surgen a causa de la recuperación elástica

(“springback”) asociado con la alta resistencia y con el aumento de la sensibilidad

en el proceso por la variabilidad en las propiedades del material a niveles

superiores de resistencia [36].

3.2.7 Microestructura De Los Aceros Doble Fase

Los aceros de Doble Fase son fabricados a través del tratamiento térmico de

recocido intercrítico, con temperaturas entres las líneas A1 y A3, en el campo

20

ferritico-austenítico del diagrama de fases, seguido de enfriamiento controlado.

Los aceros de bajo carbono laminados en caliente o en frio pueden ser empleados

en su fabricación, donde la perlita se transforma en austenita durante el

calentamiento, manteniendo grande parte de la estructura ferritica retenida. Parte

de la austenita generada se transforma pues en martensita, resultando en una

estructura ferritico-martensitico. Generalmente, aceros de doble fase presentan

menos de 0.1% de carbono, lo que resulta en una elevada ductilidad de la fase

ferritica. Para compensar el bajo contenido de carbono, se añade elementos de

aleación como Mn, que aumenta la templabilidad y el campo de la austenita

retenida, consecuentemente el volumen de martensita generado con el proceso de

tratamiento térmico. Microestructuras doble fase también pueden ser formadas

directamente en la laminación en caliente con presencia de aleaciones de Cr y Mo.

Algunos parámetros importantes determinan la microestructura final de los aceros

de doble fase: La microestructura inicial del acero (antes del tratamiento) pues

determina el tamaño de grano da la ferrita y las ubicaciones en que la austenita se

va a formar [37]

3.2.7.1 Perlita

La reacción eutectoide hierro-carburo de hierro es fundamental en el desarrollo

micro estructural de los aceros. Enfriando la austenita con una concentración

intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono

inferior, y en clementita, con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos

de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente.

La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita o por

transformación isotérmica de la austenita en la zona de los 650°C a 725°C [38].

La relación de espesores de las láminas de ferrita y dementita en la perlita es de 8

a 1, aproximadamente. Sin embargo, el espesor absoluto de una lámina depende

de la temperatura de transformación. A temperaturas inferiores y muy próximas al

eutectoide se forman láminas de ferrita α y de 𝐹𝑒3 C; esta microestructura se

denomina perlita gruesa y se forma a la derecha de la gráfica de fin de

transformación, como se indica en la Figura 9. A medida que disminuye la

temperatura, se forman láminas más delgadas ya que la velocidad de difusión del

carbono decrece. La estructura de láminas delgadas producida en la proximidad

de 540°C se denomina perlita fina (Figura 9).

21

Figura 9, Diagrama de transformación isotérmica de un acero eutectoide, con

curva de tratamiento térmico isotérmico (ABCD). Se muestran las

microestructuras antes, durante y después de la transformación austenita-

perlita


3.2.7.2 Martensita

El enfriamiento rápido (o temple), hasta temperatura próxima a la ambiental, del

acero austenizado origina otro microconstituyente denominado martensita, que

resulta como una estructura de no equilibrio de la transformación sin difusión de la

austenita. Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la

perlita o la bainita. La transformación martensitica tiene lugar a velocidades de

temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera difusión se

formarían las fases ferrita y cementita.

La transformación martensitica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de

átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños

desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transformación

significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la

22

martensita tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La mayoría de los aceros

retienen la estructura martensitica casi indefinidamente a temperatura ambiente.

Los granos de martensita, como indica la Figura 10, tienen la apariencia de

láminas o de agujas. La fase blanca de la micrografía es austenita (austenita

retenida) que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también

puede coexistir con otros constituyentes, como por ejemplo la perlita. Martensita,

bainita y austenita retenida.

Figura 10, Fotomicrografía de un acero con microestructura martensitica.

Los granos en forma de aguja son el constituyente martensita y las regiones

blancas son austenita retenida: no se ha transformado durante el temple

rápido. X1220


3.2.7.3 Ferrita

Es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la

temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C.

Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La

ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una

estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de

28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas

características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita

suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio

23

aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la

austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación

en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación [11].

La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a

la perlita en:

1. Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C).

2. Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85%

de C).

Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.

Figura 11, Ferrita

Tomado de Constituyentes de los aceros [12].

24

3.2.8 Acero AISI/SAE 1045

Es un acero grado ingeniería de aplicación universal que proporciona un nivel

medio de resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo con respecto a los aceros

de baja aleación. Frecuentemente se utiliza para elementos endurecidos a la llama

o por inducción. Este acero puede ser usado en condiciones de suministro:

laminado en caliente o con tratamiento térmico (templado en aceite y revenido o

templado en agua y revenido).

Este acero de baja templabilidad que puede ser endurecido totalmente en

espesores delgados por temple en agua. En secciones más gruesas se pueden

obtener un endurecimiento parcial de la sección de la pieza y el incremento de la

resistencia será proporcional a la capa o espesor endurecido, al ser deformado en

frio se presenta un incremento en la dureza y la resistencia mecánica.

Tabla 2, Composición química del acero AISI/SAE 1045

Composición

química

Análisis típico en

%

C (Carbono) 0.43-0.5

Mn (Manganeso) 0.6-0.9

P (Fosforo) 0.04

S (Azufre) 0.05

Si (Silicio) 0.2-0.4

Tomada de Compañía General de Aceros S.A. Ficha técnica SAE1020-1045 [10].

Con respecto a las propiedades físicas, los datos se obtienen a partir de una serie

de probetas fabricadas en laboratorio tras altos niveles de calidad para ser usadas

como guía de referencia.

25

Tabla 3, Propiedades físicas del acero AISI/SAE 1045

Propiedad Valor

Densidad 7.85 gr/cm3

Módulo de elasticidad 2x1011 Pa – 24x106psi

Conductividad Térmica 52 W/m.°C

Calor especifico 460 J/Kg°K

Coeficiente de Poisson 0.3

Resistividad eléctrica A 32°F = 16.2 (microhm-

cm)

A 212°F = 22.3 (microhm-

cm)

Coeficiente de dilatación térmica /

°C

(20-100°C) 12.3x10-6

(20-200°C) 12.7x10-6

(20-400°C) 13.7x10-6

Tomada de Compañía General de Aceros S.A. Ficha técnica SAE1020-1045 [10].

3.2.9 Aplicaciones

Este acero de medio carbono se usa cuando la resistencia y dureza obtenidas por

el tratamiento o por deformación en frio, son suficientes para satisfacer las

condiciones de servicio requeridas.

Es ampliamente utilizado en la industria automotriz (productos forjados y

estampados). Se usa en partes de máquinas que requieran dureza y tenacidad

como: manivelas, chavetas, pernos, bulones, engranajes de baja velocidad,

acoplamientos, árboles, bielas, cigüeñales, ejes de maquinaria de resistencia

media, piezas de armas, cañones de fusiles, espárragos, barras de conexión,

tornillería grado 5, pernos de anclaje, fabricación de herramientas agrícolas,

mecánicas y de mano forjadas de todo tipo como: hachas, azadones, rastrillos,

picas, martillos, palas, barretones, llaves, etc.

26

En Colombia, este material es utilizado de manera frecuente como acero de

construcción mecánica, para la fabricación de piezas forjadas, a las cuales se les

confieren las propiedades mecánicas requeridas mediante tratamientos térmicos

de temple y revenido. Por lo anterior, la obtención de piezas cuyas propiedades

satisfagan los requerimientos de diseño depende directamente de un adecuado

control y conocimiento de los parámetros del tratamiento térmico al que son

sometidas una vez fabricadas [39].

Figura 12, Micro estructura compuesta de ferrita y perlita, con baja

resistencia mecánica y baja dureza, acero 1045 AISI SAE antes del temple

Tomado de Tratamientos térmicos de los aceros [40]

3.2.10 Temperaturas Intercríticas

Para las temperaturas comprendidas entre A1 y A3 zona conocida como: de

austenización parcial, de temperaturas intercríticas o de doble fase; derivando su

nombre por la presencia de ferrita y austenita [26].

Las temperaturas se pueden calcular con las siguientes expresiones [25]:

𝐴𝑐1(ºC) = 723 − 7,08[Mn] + 37,7[S i] +18,1[Cr] + 44,2[Mo] + 8,95[Ni] + 50,1[V] +21,7[Al] +

3,18[W] + 297[S] − 830[N] −11,5[C∗Si] − 14,0[Mn∗Si] − 3,10[Si∗Cr] −57,9[C∗Mo] −

15,5[Mn∗Mo] − 5,28[C∗Ni] −6,0[Mn∗Ni] + 6,77[Si∗Ni] − 0,80[Cr∗Ni] −27,4[C∗V] +

30,8[Mo∗V] − 0,84[𝐶𝑟2] −3,46[𝑀𝑜2] − 0,46[𝑁𝑖2] − 28[𝑉2]

27

Cuando se realiza en un estado de austenización total la temperatura debe estar

por encima de A3 que se calcula con [27]:

𝐴𝑐3(°C) = 912 − 370[C] − 27.4[Mn] + 27.3 [Si] − 6.35[Cr] − 37.2[Ni] + 95.2 [V]

+ 190[TI] + 72.0 [Al] + 64.5 [Nb] + 5.57[W] + 332[S] + 276[P]

+ 485[N] − 900 [B] + 16.2[C × Mn] + 32.3[C × Si] + 15.4[C × Cr]

+ 48.0[C × Ni] + 4.32[Si × Cr] − 17.3[Si × Mo] − 18.6[Si × Ni]

+ 4.80[Mn × Ni] + 40.5[Mo × V] + 174[ 𝐶2] + 2.46[𝑀𝑛2] − 6.86[𝑆𝑖2]

+ 0.322[𝐶𝑟2] + 9.90[𝑀𝑜2] + 1.24[𝑁𝑖2] + 60.2[𝑉2]

3.2.11 Tratamientos Térmicos

Son transformaciones que tienen por objetivo convertir o cambiar la micro

estructura del material, obteniendo un mejor desempeño con garantías en trabajos

demandados, básicamente se trata de calentar un acero a una temperatura

determinada, durante determinado ciclo de tiempo hasta lograr la estructura

interna que se desea, el estudio de los factores de tiempo y temperatura son de

vital importancia para cada tiempo de material , forma, tamaño y aplicación; el

material sufre transformaciones físicas, de composición y sobre todo de

propiedades, entre las cuales se pueden encontrar:

1. Máxima dureza y resistencia bajo los parámetros límite del material.

2. Eliminar tensiones internas y evitar deformaciones después del

mecanizado.

3. Una estructura más homogénea.

4. Mejoras en la dureza y desgaste superficial.

5. Variaciones en las propiedades físicas a conveniencia del uso que se le

dará.

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda

alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos

consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para

cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir

los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una

superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las

reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no

28

férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con

unas pautas o tiempos establecido.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento

térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro

– carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden

los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales

diluidos [40].

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química

como de la estructura cristalina que se tenga. Los tratamientos termo-físicos modifican

esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas

características mecánicas específicas, realizando procesos de calentamiento y

enfriamientos periódicos hasta obtener una estructura cristalina deseada [38].

Los tratamientos más conocido y aplicados en la industria son:

6. Temple.

7. Recocido.

8. Revenido.

9. Normalizado.

3.2.11.1 Temple

Proceso en el que el material sufre un calentamiento seguido de un enfriamiento rápido a

una velocidad mínima, llamada velocidad critica, el fin que se pretende conseguir con el

ciclo del temple es aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda la

masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la

austenita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros

templados.

El constituyente obtenido es la martensita, la cual representa la sobresaturación

distorsionada de los cristales de hierro alfa. El temple utiliza como medios de

enfriamiento el agua, aceites, baños de plomo, mercurio y sales fundidas. Las

temperaturas del temple son algo más elevada que la crítica superior Ac (entre

900-950ºC). La obtención de la martensita se da con el enfriamiento rápido del

acero desde la zona de la fase austenítica la cual se consigue con una

consistencia dura y frágil. La profundidad del temple de un componente enfriado

con rapidez depende de su templabilidad (capacidad a la penetración del temple),

que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de

la calidad del acero y de la misma forma está en función de la composición del

acero y del tamaño de grano.

29

En el temple influyen factores como:

1. La composición química del acero.

2. El tamaño del grano, que influye en la velocidad critica del temple, por ejemplo un

grano más grueso tiene mayor templabilidad.

3. El medio de enfriamiento es muy importante, el ideal es el que pueda templar un

acero consiguiendo una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los

medios más utilizados son, agua, aceite, polímeros hidrosolubles, aunque también

se usan baños de Plomo y de Mercurio.

Algunos factores que afectan la templabilidad de los aceros:

4. El contenido de carbono: con un contenido alto aumenta considerablemente su

dureza y su templabilidad. Sin embargo, el alto contenido de carbono no siempre

es deseable, por eso, una alternativa para aumentar la dureza de un acero de bajo

carbono es añadir elementos de aleación.

5. La dimensión del grano de la austenita: Un grano muy fino tiene mucha área de

límite de grano que facilita la nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la

capacidad templabilidad del acero. De manera contraria un grano de gran tamaño

no es deseable porque reduce la ductilidad final del acero y aumenta la tendencia

al agrietamiento en el temple, por lo tanto no es una buena práctica hacer crecer el

grano austenítico.

3.2.11.2 Revenido

Después de realizar el proceso de templado, los aceros suelen quedar demasiado

duros y frágiles para los usos a los que están destinados. Esto se puede

compensar mediante el proceso del revenido, este proceso consiste en calentar el

material a una temperatura más baja que su temperatura critica inferior,

enfriándolo luego al aire, en aceite o en agua, con esto no se eliminan los efectos

del temple, solo se modifican, se consigue disminuir la dureza, resistencia, y las

tensiones internas, y se aumenta la tenacidad.

El acero, después del temple, está compuesto por cristales de martensita, si se

vuelve a calentar a diferentes temperaturas, entre Temperatura ambiente y 700º y

después se enfría al aire, la resistencia a la tracción disminuye a medida que la

temperatura del revenido aumenta, y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la

tenacidad, la resistencia al choque o resiliencia, que es baja cuando el revenido se

hace a temperaturas inferiores a 450ºC, aumenta cuando se hace a temperaturas

más elevadas. En ciertos aceros en los que después del temple queda austenita

residual, se presenta un aumento de dureza, cuando el revenido se hace entre

30

350ºC y 550ºC, transformándose la austenita en otros constituyentes. Los aceros

después del revenido, por lo general se contraen estas variaciones de

propiedades que suceden en el revenido, se deben a los cambios micro

estructurales, que consisten en la descomposición de la martensita que se había

obtenido en el temple y que se transforma en otros constituyentes más estables.

La estructura obtenida en un revenido a 200-250ºC es de martensita de red

cúbica, a 400ºC se observa un oscurecimiento fuerte, al aumentar a 600-650º se

desarrolla la coalescencia de la cementita. Con ayuda del telescopio electrónico se

ha podido llegar a la conclusión que el revenido se hace en tres etapas:

1. La primera etapa se realiza a bajas temperaturas, menores de 300ºC, y se

precipita carburo de hierro épsilon y el porcentaje de carbono en la

martensita baja a 0.25%, el carburo de hierro cristaliza en el sistema

hexagonal, en los límites de los subgranos de la austenita, y la martensita

cambia su red tetragonal a red cúbica

2. En la segunda etapa, solo se presenta cuando hay austenita retenida en la

microestructura del acero, la cual se transforma en vainita, que al ser

calentada a altas temperaturas también precipita en carburo de hierro, con

formación final de cementita y ferrita.

3. En la tercera etapa, el carburo de hierro que apareció en la primera etapa,

se transforma en cementita, cuando sube la temperatura se forma un

precipitado de cementita en los límites y en el interior de las agujas de

martensita, la cual al aumentar la temperatura disuelve la del interior y se

engruesa la del exterior, al subir más la temperatura se rompe la cementita

exterior, y a 600ºC la matriz queda constituida por ferrita [44].

3.2.11.3 Factores Importantes A Tener En Cuenta En Los Tratamientos Térmicos

Caracterizados por ser de alta importancia para lograr alcanzar las propiedades

mecánicas deseadas por la aplicación que se le dará. Técnicamente consisten en

reacciones producidas en el material que ocurren durante procesos de calentamiento y

enfriamientos abruptos o escalonados, con unas especificaciones y tiempos previamente

establecidos.

A lo largo de estos procesos se modifica la constitución interior del acero, creando

variaciones en el estado del carbono, el mismísimo estado alotrópico del hierro, llegando

31

a variaciones en el tamaño del grano, las tensiones producidas después de que el acero

es sometido al tratamiento, la composición inicial del material, la duración en el horno, la

velocidad a la que se calienta el material.

3.3 Análisis Por Elementos Finitos

El desarrollo moderno del método de elemento finito comenzó en la década de

1940 en el campo de la mecánica estructural con el trabajo de Hrennikoff,

McHenry y Newmark, quienes emplearon una red o rejilla de elementos lineales

(varillas y vigas) para solucionar esfuerzos en sólidos continuos. En 1943, a partir

de un artículo de 1941, Courant sugirió una interpolación polinomial por pasos

sobre regiones triangulares como el método para modelar problemas de torsión.

Con el advenimiento de las computadoras digitales en la década de 1950, esta

propuesta se pudo llevar a la práctica por los ingenieros para escribir y resolver las

ecuaciones de rigidez en forma matricial. Un artículo clásico de Turner, Clough,

Martin y Topp, que se publicó en 1956, presentaba las ecuaciones matriciales de

rigidez de los puntales, vigas y otros elementos. La expresión elemento finito se

atribuye primero a Clough. Con base en estos primeros antecedentes, se ha

realizado una gran cantidad de esfuerzos para desarrollar el método del elemento

finito en el área de las formulaciones de los elementos, así como en la

instrumentación computacional del proceso de solución completo. Los mayores

avances en tecnología computacional incluyen las capacidades del hardware que

se extienden rápidamente, las rutinas de resolución de matrices eficientes y

precisas y las gráficas por computadora que facilitan visualizar las etapas de

procesamiento previo a la revisión de los resultados de la solución. Se ha

presentado una gran abundancia de literatura sobre el tema, la que incluye

muchos libros de texto.

Puesto que el método del elemento finito es una técnica numérica que convierte el

dominio de una estructura continua en valores discretos, los errores son

inevitables. Estos errores son:

1. Errores computacionales: Éstos se deben a errores de redondeo

provenientes de los cálculos de punto flotante de la computadora y de las

formulaciones de los esquemas de integración numérica que se utilizan. La

mayoría de los códigos comerciales de elemento finito se concentran en

reducir estos errores y, en consecuencia, el analista por lo regular se

interesa en los factores relacionados con los valores discretos.

32

2. Errores de conversión discreta: La geometría y distribución del

desplazamiento de una estructura real varía continuamente. Mediante el

uso de un número finito de elementos para modelar la estructura introduce

errores al igualar la geometría y distribución del desplazamiento debido a

las limitaciones matemáticas inherentes a los elementos [13].

Beneficios de CAD: los beneficios del CAD incluyen menores costos de desarrollo

de productos, aumento de la productividad, mejora en la calidad del producto y un

menor tiempo de lanzamiento al Mercado.

1. Mejor visualización del producto final, los sub-ensambles parciales y los

componentes en un sistema CAD agilizan el proceso de diseño.

2. El software CAD ofrece gran exactitud de forma que se reducen los errores.

3. El software CAD brinda una documentación más sencilla y robusta del

diseño, incluyendo geometría y dimensiones, lista de materiales, etc.

4. El software CAD permite una reutilización sencilla de diseños de datos y

mejores prácticas.

En la figura 13, los elementos triangulares se encuentran sombreados, mientras

que los puntos negros representan los nodos de los elementos. Las fuerzas y las

limitantes sólo se pueden colocar en los nodos. Los nodos de elementos de

esfuerzo de un plano triangular simple tienen solamente dos grados de libertad,

traslación en el plano. De este modo, los triángulos de soporte simple en el borde

izquierdo, en negro sólido, representan el soporte fijo del modelo. Por otro lado,

como se ilustra, la carga distribuida puede aplicarse sólo a tres nodos. La carga

modelada tiene que ser estáticamente consistente con la carga real [13].

33

Figura 13, Problema estructural. a) Modelo idealizado; b) modelo de

elemento finito

Tomada del libro de Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley [13].

3.3.1 ANSYS, APDL (Ansys Parametric Design language)

Dentro del software ANSYS para análisis de elementos finitos se puede encontrar

una interfaz enfatizada en los análisis estructurales estáticos lineales, aunque los

conceptos presentados presentan una base sólida para lograr resolver problemas

de análisis térmico o incluso procedimientos de análisis más complejos, aplicando

configuraciones eficientes.

3.3.2 Condición de Frontera

La simulación de las condiciones de frontera y otras formas de limitantes

probablemente es la parte más difícil del modelado preciso de una estructura para

un análisis de elemento finito. Con limitantes específicas, es relativamente sencillo

cometer errores de omisión o distorsión. Para el analista puede ser necesario

probar diferentes enfoques para modelar limitantes enigmáticas tales como

uniones de pernos, soldaduras, etc., que no son tan simples como las uniones fijas

o pernos idealizados. La prueba debería confinarse a problemas simples y no a

una estructura grande y compleja. En ocasiones, cuando la naturaleza exacta de

una condición limítrofe o de frontera es incierta, sólo pueden ser posibles los

límites de comportamiento. Por ejemplo, se han modelado ejes con cojinetes con

34

soporte simple. Es más probable que el soporte sea algo entre soporte simple y

fijo, y se podrían analizar ambas limitantes para establecer los límites. Sin

embargo, al suponer un soporte simple, los resultados de la solución son

conservadores para esfuerzos y deflexiones. Es decir, la solución pronosticaría

esfuerzos y deflexiones mayores que las reales.

Las ecuaciones de restricción de punto múltiple se emplean con bastante

frecuencia para modelar condiciones de frontera o conexiones rígidas entre

miembros elásticos. Cuando se utilizan en esta última forma, las ecuaciones

actúan como elementos y entonces se conocen como elementos rígidos. Los

elementos rígidos pueden rotar o trasladarse únicamente de manera rígida.

Los elementos de frontera se utilizan para forzar desplazamientos específicos

distintos de cero sobre una estructura. Los elementos de frontera también pueden

ser útiles al modelar condiciones de frontera que son laterales del sistema

coordenado global [13].

3.4 Micromodelamiento de aceros doble fase

Una estructura microestructural versátil, es un modelo que puede representar

diferentes fracciones y distribuciones de los componentes microestructurales.

Realizando un Micromodelamiento se pueden cariar diferentes parámetros

microestructurales por separado, de tal manera se pueden investigar las diferentes

influencias de las características que componen el elemento, sumado a esto

también se han desarrollado diferentes modelos microestructurales que ayudan a

entender y desarrollar modelos basados en la realidad de los aceros doble fase

[55].

Las propiedades de la martensita y la ferrita se obtienen a partir de un trabajo

realizado por furnemont [57] y se resumen en la siguiente tabla. Se ha aplicado

una carga de esfuerzo uniaxial en la dirección vertical hasta cierto porcentaje de

elongación, combinada con la condición de contorno periódica para imitar la

presencia del material circundante. En la dirección fuera del plano se ha supuesto

la condición de deformación plana [55].

35

Tabla 4, Propiedades de la ferrita y la martensita (valores de referencia)

Tomado de, Schellekens, M.A.J.H.J. Microstructural modelling of dual phase Steel,

(2010),

3.5 Plasticidad Bilineal

Cuando se realiza un análisis estático lineal en ciertos o en la mayoría de

mecanismos estructurales la lay de Hooke es un mecanismo valido para su

respectivo análisis, pero cuando existen varios niveles de carga, en la relación

esfuerzo-deformación suelen aparecer unas no linealidades, que también pueden

ser asociadas a cambios significantes en la magnitud de las fuerzas aplicadas.

“Por otro lado, la situación donde los desplazamientos son suficientemente

pequeños, pero donde la relación esfuerzo-deformación es no-lineal son muy

comunes. Como ejemplos, las pruebas simples de tensión y compresión de

muchos materiales de ingeniería, tales como el hormigón, acero y suelo producen

curvas de tensión-deformación no lineal, mientras que son los desplazamientos

siguen siendo pequeños". [52]

Figura 14, Material no lineal: (a) Elasticidad no lineal y (b) Elasto-plasticidad

Tomado de, KRABBENHOFT, kristian, Plasticidad computacional Básica, Universidad Técnica de

Denmark, 2012, Pág. 4.

Para entender de manera sencilla las no linealidades, se pueden separar en unas

categorías, La elasticidad donde el esfuerzo-deformación no es lineal, pero

36

partiendo de los demás comportamientos seguiría con una trayectoria como

elasticidad lineal, en resumen no se separan o se hacen distinción de la carga y la

descarga, a excepción de su respectivo símbolo. Esto ya entra en una

diversificación en los materiales netamente plásticos o elasto-plasticos donde

algunas deformaciones pasan a ser irrecuperables.

En esta teoría se utilizan conceptos fundamentales, como el criterio de fluencia

que define el punto o limite en donde el material se vuelve plástico, también se

describe la relación que existe entre los esfuerzos y las deformaciones posterior a

cuando el material se ha convertido en plástico. Gracias a que los metales son

incomprensibles es fácil describir el flujo plástico. [53]

Modelos de plasticidad independientes de la velocidad de deformación.

Figura 15, Representación geométrica de la regla de endurecimiento

considerada en el espacio de esfuerzo (a) Endurecimiento isotrópico y (b)

endurecimiento cinemático.

Fuente: CHAKRABARTY, J., Applied plasticity, segunda edición, Editorial Springer, Pagina 27.

37

Con respecto a la figura15, (b) El comportamiento de endurecimiento cinemático

fue descrito por primera vez por Prager en 1955 donde modelar la superficie de

esfuerzo en el espacio principal haciendo que este no se altere o se pueda mover

por fuera y en la parte (a) Se puede suponer una partícula en un material

hipotético que está siendo sometido a una carga, descarga, carga, descarga de tal

manera que la curva de esfuerzo- deformación se la que se indica en esta figura,

este comportamiento se describe como endurecimiento isotrópico.

3.6 Marco Normativo

Ensayo Para Determinar La Resistencia A La Tracción: Para el ensayo de tracción

se usara el procedimiento enunciado en la norma ASTM E8 / E8M para materiales

mecánicos, enunciada especialmente para trabajar con materiales mecánicos a

temperatura ambiente. Este procedimiento es aplicable a diversos tipos de

probetas, se puede aplicar para probetas de sección transversal rectangular o

redonda. Dentro de esta norma también se enuncian las diferentes dimensiones

que de igual manera cumplen y arrojan valores acertados a la hora de realizar el

ensayo, teniendo en cuenta el tamaño, el diámetro y la cantidad de probetas a

utilizar es importante tener en cuenta:

1. Costo del material en bruto.

2. La dureza del material (a la hora de mecanizar puede aumentar el tiempo, que

traduce en costos).

3. Costo de la mano de obra para realizar el proceso de construcción de las

probetas.

4. Contemplar un porcentaje de desperdicio teniendo en cuenta la cantidad de

material que se gastara.

Para las probetas de estudio se utilizaran probetas de sección redonda [45], ya que son

aptas para el correcto experimento, así como la obtención de resultados.

38

4. DISEÑO METODOLOGICO

4.1 Metodología Del Desarrollo Del Proyecto

4.1.1 Cálculo Y Obtención De Las Temperaturas Intercríticas

El proyecto iniciara con la adquisición del material designado, al cual, se le

realizará una prueba de composición química, con ésta se calcularan las

temperaturas intercríticas AC1, AC3 y el inicio de la formación martensitica (Ms).

Luego se cortara y maquinara el material en secciones adecuadas, tanto para el

tratamiento, como para la prueba de tensión.

Con los datos necesarios encontrados, se realizara el temple y revenido del

material.

4.1.2 Ensayo De Tensión Y Micrografía

La prueba de tensión se efectuara en el laboratorio de pruebas mecánicas de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Con los resultados obtenidos de

ésta prueba, se realizaran las gráficas de esfuerzo-deformación.

La micrografía se desarrollara en el laboratorio de pruebas metalográficas, con el

fin de saber los porcentajes de fase, en cada una de las muestras del material.

4.1.3 Realización De La Programación En El Modulo Apdl De Ansys

Con la obtención y previo cálculo de las propiedades de la ferrita y la martensita se

procede a elaborar la programación basado en tres experimentos, el primero con

el material base de acero AISI 1045, el segundo con las propiedades del material

con el temple a 726° ó temperatura AC1 y el tercero es el material con el temple a

788° o temperatura AC3.

Teniendo la programación, se realizaran análisis de esfuerzos y deformaciones

elásticas y plásticas, así como esfuerzos de von mises arrojando diferentes

gráficas para realizar las distintas comparaciones, por otro lado también se

sumara a los resultados tres diagramas de esfuerzo versus deformación para

39

poder re alizar una comparación con los resultados obtenidos por las pruebas

(experimentales) hechas en laboratorio

Con la obtención de los diferentes diagramas se podrán realizar las diferentes

conclusiones para saber las posibles semejanzas y variaciones entre los métodos

utilizados para el trabajo.

4.1.3.1 Tipo de elemento

El elemento considerado para el análisis es el “PLANE 182” usado en Ansys para

modelos 2D usado en estructuras sólidas, este se utiliza como un elemento plano

para esfuerzos planos y deformaciones planas: se define por cuatro nodos con

dos grados de libertad cada uno en las direcciones X y Y. El elemento tiene

plasticidad, hiperelasticidad, rigidez de esfuerzos, deflexión grande y grandes

capacidades de deformación. [51] Ver figura (16)

Figura 16, Esquema de elemento Plane 182 bilineal de 4 nodos tipo solido

Fuente: Librería de elementos finitos software Ansys APDL.

Los elementos de cuatro nodos para sistemas para desplazamientos y esfuerzos

bilineales se desarrollan mediante la formulación de Serendipity el cual menciona

un sistema de ejes local por medio de un vector de desplazamientos nodales

como el mostrado a continuación. (Ver figura 17).

40

(8)

Figura 17, Esquema de grados de libertad del elemento de 4 nodos rectangular

Fuente: Métodos de elementos finitos para análisis estructural Juan Tomas Celigueta Lizarda

Como se había nombrado anteriormente, un elemento rectangular contiene ocho

grados de libertad, el campo de los desplazamientos hacia el interior de cada

elemento se representa por dos polinomios bilineales de cuatro términos.

(9)

Las funciones de un elemento tipo solido bilineal de 4 nodos son, (Ecuación 10).

(10)

Donde i, i, son las coordenadas del nudo i. Estas funciones bilineales se

expresan en coordenadas locales , . Y se le denomina a la función como N.

(Ver figura 18).

41

Figura 18, Esquema de funciones elemento de 4 nodos rectangular

5. DESARROLLO DEL PROYECTO

5.1 Adquisición del Material

El material de trabajo adquirido fue: acero AISI/SAE 1045 laminado en caliente, en

una presentación de barras circulares de diámetro 19.05 mm (3/4”) y longitud de

1500 mm. Se adquirieron dos barras para la cantidad de probetas a usar.

5.2 Prueba Química

Para verificar que el acero usado en el desarrollo del proyecto, es un acero

AISI/SAE 1045, se realizó una prueba de composición química, la cual se puede

observar en la Tabla 5.

42

Tabla 5. Composición Química del Acero AISI/SAE 1045.

Elemento Contenido de masa (%)

C 0,45

Si 0,211

Mn 0,663

P 0,001

Cr 0,319

Al 0,007

S 0,001

Ni 0,078

Mo 0,015

V 0,004

Co 0,01

Ti 0,003

Nb 0,006

W 0,023

N 0

B 0,0001

Cu 0,008

Tabla elaborada por los autores

43

5.3 Calculo de Temperaturas Intercríticas

Las siguientes expresiones se usaron para calcular las temperaturas intercríticas

AC1 [26,27], AC3 [26,28] y la transformación martensitica Ms. Los resultados se

observan en la Tabla 6.

𝐴𝑐1(°𝐶) = 723 − 7,08[Mn] + 37,7[S i] + 18,1[Cr] + 44,2[Mo] + 8,95[Ni] + 50,1[V] +

21,7[Al] + 3,18[W] + 297[S] − 830[N] − 11,5[C × Si] − 14,0[Mn × Si] − 3,10[Si ×

Cr] − 57,9[C × Mo] − 15,5[Mn × Mo] − 5,28[C × Ni] − 6,0[Mn × Ni] + 6,77[Si × Ni] −

0,80[Cr × Ni] − 27,4[C × V] + 30,8[Mo × V] − 0,84[Cr2] − 3,46[Mo2] − 0,46[Ni2] −

28[V2]

(4)

𝐴𝑐3(°C) = 912 − 370[C] − 27.4[Mn] + 27.3 [Si] − 6.35[Cr] − 37.2[Ni] + 95.2 [V]

+ 190[TI] + 72.0 [Al] + 64.5 [Nb] + 5.57[W] + 332[S] + 276[P]

+ 485[N] − 900 [B] + 16.2[C × Mn] + 32.3[C × Si] + 15.4[C × Cr]

+ 48.0[C × Ni] + 4.32[Si × Cr] − 17.3[Si × Mo] − 18.6[Si × Ni]

+ 4.80[Mn × Ni] + 40.5[Mo × V] + 174[ 𝐶2] + 2.46[𝑀𝑛2] − 6.86[𝑆𝑖2]

+ 0.322[𝐶𝑟2] + 9.90[𝑀𝑜2] + 1.24[𝑁𝑖2] + 60.2[𝑉2]

(5)

𝑀𝑠(°𝐶) = 496 × [1 − 0.62 × 𝐶] × [1 − 0.092 × 𝑀𝑛] × [1 − 0.033 × 𝑆𝑖]

× [1 − 0.045 × 𝑁𝑖] × [1 − 0.07 × 𝐶𝑟] × [1 − 0.029 × 𝑀𝑜]

× [1 − 0.018 × 𝑊] × [1 − 0.02 × 𝐶𝑜]

(6)

Tabla 6. Temperaturas Ac1, Ac3 y Ms para el acero AISI/SAE 1045.

Ac1(°𝐶) Ac3(°𝐶) Ms(°𝐶)

726 788 325

Tabla elaborada por los autores

44

5.4 Maquinado del Material

Se maquinaron 10 probetas con las medidas que se muestran en la figura 19.

Figura 19, Dimensiones de las Probetas

Figura elaborada por los autores

5.5 Temple y Revenido

A continuación se muestra la representación esquemática de los tratamientos que

se desarrollaran en las probetas. Ver figura 20.

45

Figura 20, Representación Esquemática de la secuencia del Tratamiento Térmico Efectuado

Figura elaborada por los autores

De las 10 probetas, 2 se escogieron para material base. 4 se trataron

térmicamente con el siguiente temple: se aumentó la temperatura de las probetas

en una mufla eléctrica Labtech/LEF-P, hasta alcanzar los 788C y se mantuvo por

45 minutos, luego del tiempo cumplido se retiraron de la mufla y se enfriaron

mediante inmersión en aceite.

Las 4 restantes se trataron térmicamente con el siguiente temple: se aumentó la

temperatura de las probetas en una mufla eléctrica Labtech/LEF-P, hasta alcanzar

los 726C y se mantuvo por 45 minutos, luego del tiempo cumplido se retiraron de

la mufla y se enfriaron mediante inmersión en aceite (ver figura 20).

Finalmente, se realizó el siguiente revenido para las 8 probetas: se aumentó la

temperatura en una mufla eléctrica Labtech/LEF-P, hasta alcanzar los 325C y se

mantuvo durante 1 hora, luego se dejó enfriar a temperatura ambiente (ver figura

21).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tiempo (horas)

Temple

Revenido

46

Figura 21, Temple en mufla eléctrica Labtech/LEF-P

Fotografía tomada por los autores

Figura 22, Enfriamiento a Temperatura Ambiente Después del Revenido


47

5.6 Pruebas de Tensión

La prueba de tensión se realizó en la maquina universal de ensayos UH-A marca

Shimadzu, que se encuentra en los laboratorios de Mecánica de la Universidad

Distrital (ver figura 23).

Figura 23, Prueba de Tensión en la maquina universal de ensayos UH-A Shimadzu


5.6.1 Graficas Esfuerzo-Deformación de la prueba de Tensión.

Con los datos generados por las pruebas de tensión, se desarrollan graficas de

esfuerzo vs deformación, de las cuales 2 probetas eran material base, 4 probetas

fueron tratadas térmicamente a 726C y las 4 probetas restantes fueron tratadas a

788C, cada grupo de pruebas se promedió para obtener la gráfica

correspondiente de cada grupo de probetas, las cuales identificaremos de aquí en

adelante como base, 726 y 788.

48

5.6.1.1 Grafica Esfuerzo-Deformación Ingenieril y Real

En las gráficas se aprecia la deformación del material conforme se le va

aumentando la fuerza, tanto en el diagrama ingenieril, como en el real (ver figuras

24, 25, 26).

Figura 24, Grafica Esfuerzo-Deformación Ingenieriles Promedio de las Pruebas de Tensión

Grafica elaborada en Excel por los autores

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Esfu

erz

o (

Mp

a)

Deformación

Diagrama Esfuerzo-Deformación Ingenieriles

Base 726ºC 788ºC

49

Figura 25, Grafica Esfuerzo-Deformación Reales Promedio de las Pruebas de Tensión


Figura 26, Grafica Esfuerzo-Deformación ingenieriles y Reales de la prueba de Tensión


0100200300400500600700800900

10001100120013001400

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

Esfu

erz

o (

Mp

a)

Deformación

Grafica Esfuerzo-Deformación Reales

Base 726ºC 788ºC

0100200300400500600700800900

10001100120013001400

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Esfu

erz

o (

Mp

a)

Deformación

Graficas Ingenieriles y Reales

Base Ing Base Real 726ºC Ing 726ºC Real 788ºC Ing 788ºC Real

50

5.7 Pruebas Metalográficas

5.7.1 Micrografía

La preparación previa de las probetas para la prueba, solicita un acabado tipo

espejo en la zona que será objeto del estudio (ver figura 27).

Figura 27, Probetas para el Estudio Micrográfico

Fotografías tomada por los autores

Las micrografías que se pueden observar a continuación, muestran el antes (ver

figura 37) y después (ver figuras 38, 39) del tratamiento térmico del acero 1045, se

asume que la parte clara es martensita, puesto que, al tener mayor dureza es más

difícil de pulir, por lo tanto, no se separa con facilidad de la superficie del material.

Por otra parte, se asume que la parte oscura es ferrita, por su baja dureza y la

posibilidad de ser atacada por el Nital [31]. Las probetas son observadas en el

microscopio metalográfico trinocular invertido Axio Observer D1m, de los

laboratorios de Mecánica de la Universidad Distrital.

Figura 28, Microestructura del Acero AISI/SAE 1045, a) 200X b) 500X

Fuente; Los proponentes, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital.

a b

51

Figura 29, Microestructura del Acero AISI/SAE 1045 Templado en Aceite

Fuente: Los proponentes, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital.

Figura 30, Microestructura del Acero AISI/SAE 1045 Templado en Aceite


5.7.2 Porcentaje de Fase

El porcentaje de cada fase se puede observar a continuación, en cada tratamiento

realizado (ver figuras 40, 41, 42, 43, 44, 45).

a b

a b

52

Figura 31, Porcentaje de Fase del Acero AISI/SAE 1045 Material Base


Las zonas oscuras son designadas fase 1 y se les asigna el color rojo, por el

contrario, las zonas claras son designadas fase 2 y se les asigna el color verde. La

fase 1 representa la ferrita presente en el material, mientras que la fase 2

representa la martensita que contiene el material.

Figura 32, Porcentajes de Fase del Material Base


53

Figura 33, Porcentaje de Fase del Acero AISI/SAE 1045 Temperatura 726ºC


Figura 34, Porcentaje de Fase del Material a 726ºC


54

Figura 35, Porcentaje de Fase del Acero AISI/SAE 1045 Temperatura 788ºC


Figura 36, Porcentaje de Fase del Material a 788ºC


55

Tabla 7. Porcentaje de Fase Presente en cada Tratamiento del Material.

Porcentaje de Fase Base 726ºC 788ºC

Fase 1 [%] 70.9 67.08 67.65

Fase 2 [%] 24.27 28.38 27.46

Tabla elaborada en Excel por los autores

5.8 Modelo Elástico-Plástico de la Curva de Flujo

La curva de flujo es el comportamiento que presentara el esfuerzo cuando se varía

la deformación, esta se aprecia en la gráfica esfuerzo-deformación.

El modelo se basa en la teoría de dislocación en el endurecimiento por

deformación, el método es usado para predecir la curva de flujo de cada fase,

además es usado para estimar la relación esfuerzo-deformación en las fases

simples [46]. El método usado es del estudio de Rodríguez y Gutiérrez [47], el flujo

de esfuerzo plástico en la deformación verdadera de ε de cada fase, 𝜎 viene dado

por la ecuación 3 [28, 48, 49, 50].

𝜎 = 𝜎0 + ∆𝜎0 + 𝛼 × 𝑀 × 𝜇 × √𝑏 × √1−exp (−M𝑘𝑡𝜀)

𝑘𝑟×𝐿 (3)

Donde 𝜎0 es el esfuerzo de Peierl`s, el cual depende de la composición química

del material (ecuación 7).

𝜎0 = 77 + 80%𝑀𝑛 + 750%𝑃 + 60%𝑆𝑖 + 80%𝐶𝑢 + 45%𝑁𝑖 +

60%𝐶𝑟 + 11%𝑀𝑜 + 5000%𝑁𝑠𝑠 (4)

∆𝜎 Es el endurecimiento estimado del material basado en el contenido de carbono,

el cual es calculado para la ferrita mediante la ecuación 8 y para la martensita

mediante la ecuación 9.

∆𝜎(𝑀𝑝𝑎) = 5000 × (%𝐶𝑠𝑠𝑓

) (5)

∆𝜎(𝑀𝑝𝑎) = 3065 × (%𝐶𝑠𝑠𝑚) − 161 (6)

56

Donde 𝐶𝑠𝑠𝑓

y 𝐶𝑠𝑠𝑚 es el porcentaje de contenido de carbono presente en la ferrita y

martensita respectivamente.

Para Perlita 𝜎0 + ∆𝜎 = 𝜎𝑓 según el modelo de Rodriguez y Gutierrez [47] ecuación

12.

𝜎𝑓 = 𝜎0 + 3 × 𝜇 × 𝑏 × 𝜆−1 + 𝛼 × 𝜇 × 𝑏 × 𝜌1/2 (12)

λ = 0.13

α = 0.25

L = 2λ

ρ = 2.5X10−5

Los demás términos son:

α = 0.33

M (Factor de Taylor) = 3

μ (módulo de corte) = 80000

b (Burger`s vector) = 2.5 × 10−10

L (Trayecto libre medio de dislocación) = ferrita (=dα=8× 10−6), martensita (3.8 ×

10−8)

K (índice de recuperación) = ferrita (10−5/dα), martensita (41), Perlita (2.5 × 10−5)

El contenido de carbón de la martensita (𝐶𝑚) se calcula considerando el balance

de masa del carbono y la siguiente relación (ecuación 13) [49].

𝐶𝐷𝑃 = 𝐶𝛼𝑉𝛼 + 𝐶𝑚𝑉𝑚 (7)

Donde 𝑉𝛼 y 𝑉𝑚 es la fracción de volumen de la ferrita y martensita. 𝐶𝐷𝑃 Es la

composición nominal del carbono del acero [49].

57

Siendo 𝐶𝐷𝑃 = 0.45, 𝐶𝛼 = 0.025 (máxima cantidad de carbono en la ferrita) y

𝑉𝛼 , 𝑉𝑚 los respectivos porcentajes de fase de cada uno de los tratamientos. Se

despeja la ecuación 7 y se encuentra 𝐶𝑚 para cada tratamiento.

Por último se varía ε entre 0 y la deformación máxima que dio, cada promedio de

deformación (Base, 726ºC, 788ºC) en las pruebas de tensión. Las gráficas

resultantes se muestran a continuación (ver figuras 32, 33, 34).

Figura 37, Curva de flujo de la Fase Ferrita-Perlita en el Material Base


0

100

200

300

400

500

600

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

Esfu

erz

o (

Mp

a)

Deformación

Curva de Flujo de la Fase Ferrita-Perlita (Base)

Ferrita Perlita

58

Figura 38, Curva de flujo de la Fase Ferrita-Martensita en la Temperatura 726ºC


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Esfu

erz

o (

Mp

a)

Deformación

Curva de Flujo de la Fase Ferrita-Martensita

(726C)

Ferrita Martensita

59

Figura 39, Curva de flujo de la Fase Ferrita-Martensita en la temperatura


Cada una de las gráficas (32, 33, 34) es indispensable para poder encontrar, el

limite elástico y el modulo tangente. En cada gráfica, se usa cada fase para hallar

su respectivo límite elástico y modulo tangente gráficamente.

Los resultados de cada uno de los límites elásticos y módulos tangentes, se

multiplican por su respectivo porcentaje de fase, ya encontrado previamente

dando como resultado los siguientes valores (ver tabla 7).

Tabla 8. Propiedades de cada una de las fases.


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Esfu

erz

o (

Mp

a)

Deformación

Curva de Flujo de la Fase Ferrita-Martensita (788C)

Ferrita Martensita

Material Temperatura ºCModulo de

elasticidad (Gpa)

Coeficiente de

Poisson

Limite elastico

(Mpa)

Modulo tangente

(Mpa)

Base ferrita 220 0,3 234,6164304 1545,015195Base Perlita 220 0,3 40,53615203 2,64193245

Ferrita 220 0,3 216,3551364 666,2278312Martensita 195 0,3 585,4563696 1109,496177

Ferrita 220 0,3 218,8292816 729,3054252Martensita 195 0,3 528,0943472 985,3452853

Ambiente

726

788

60

5.9 Programación en plataforma APDL DE ANSYS

El análisis hecho se basó en la metodología de elementos finitos, donde se realizó

una programación, usando el software Ansys APDL , en esta plataforma se

formuló el Micromodelamiento usando como modelaciones los esquemas dados

por el Material base, material templado a 726°C, material templado a 788 °C)

tomadas de las micrografías de cada muestra.

5.9.1 Definición del análisis

Se define un análisis tipo estructural para el modelo ya que se quiere obtener

resultados de esfuerzos estáticos (ver figura 40)

Figura 40, Selección del tipo de análisis

5.9.2 Tipo de elemento

El tipo de elemento seleccionado para este modelo fue un “Plane 182 de 4 nodos”,

para seleccionar el elemento, vamos al preprocesador de la plataforma y

adicionamos el elemento según la masa estructural, para el modelo usado fue de

tipo solida con propiedad de espesor de 10µ, también se utilizó porque este

elemento nos trabaja bilinealmente (ver figura).

61

Figura 41, Selección del tipo del tipo de elemento

Figura 42, Librería de elementos finitos de la plataforma Ansys APDL

5.9.3 Propiedades de material

Se evalúan las propiedades de dos materiales dentro de la misma modelación, para los

modelos analizados se toma como referencia las propiedades de cada fase formada en

cada una de las tres muestras (material base, material templado a 726°C, material

templado a 788°C), las propiedades usadas son de tipo lineal isotrópico y bilineal

isotrópico (ver figuras xxx)

62

Figura 43, Selección de material N° 1- Propiedades-lineales y bilineales isotrópicas

Figura 44, Selección de material N° 2- propiedades Lineales-Bilineales isotrópicas

Las propiedades lineales se denominan como el módulo de elasticidad (EX) y

coeficiente de poisson (PRXY), las propiedades bilineales son limite elástico y

modulo tangente.( ver figuras 43-55).

63

Figura 45, Material base- Propiedades lineales isotrópicas para cada fase (ferrita y perlita)

Figura 46, Material base- Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase perlita

64

Figura 47, Material base- Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase ferrita

Figura 48, Material con temple a 726°C - Propiedades-lineales isotrópicas para fase martensita

65

Figura 49, Material con temple a 726°C - Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase martensita

Figura 50, Material con temple a 726°C - Propiedades-lineales isotrópicas para fase Ferrita

66

Figura 51, Material con temple a 726°C - Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase Ferrita

Figura 52, Material con temple a 788°C - Propiedades-lineales isotrópicas para fase martensita

67

Figura 53, Material con temple a 788°C - Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase martensita

Figura 54, Material con temple a 788°C - Propiedades-lineales isotrópicas para fase ferrita

68

Figura 55, Material con temple a 788°C - Propiedades-Bilineales isotrópicas para fase ferrita

Para mejor comprensión del análisis bilineal plástico sobre las fases de material lo

podemos observar en el comportamiento del diagrama esfuerzo-deformación que

nos ofrece el programa ( ver figuras)

Figura 56, Grafica -Tendencia bilineal isotrópica de las propiedades de un material.

69

5.9.4 Creación de modelo geométrico

Se tomó un área de 2500micras de las micrografías de cada muestra de material

(material Base, Material a 726°C, Material a 788°C); se realizó la modelación

geométrica de cada área, en este modelo se muestran las dos fases formadas

por el material cuando es tratado térmicamente, área oscura (Ferrita) área clara

(Martensita); cabe aclarar que para el material base la fase oscura se denomina

como perlita. Ver figuras (57 a 59).

Figura 57, Esquema de material base SAE 1045

Figura 58, Esquema de material SAE 1045 a temperatura de 726°C

70

Figura 59, Esquema de material SAE 145 a temperatura de 788°C

5.9.5 Creación de malla

Se consideró una malla de 420 elementos sobre el área escogida para realizar el

análisis, así estableciendo un elemento por cada área seleccionada según la

micrografía de cada una de las muestras. Utilizando el software nos ubicamos en

el preprocesador en la opción malla y cambiamos los parámetros de malla para

enmallar por líneas cada elemento. Se aclara que este procedimiento es igual para

los tres modelos material base, material a 726°C, material a 788°C. (Ver figuras)

71

Figura 60, Selección de líneas para enmallado, área por elemento finito

Figura 61, Cambio de parámetro de malla

72

Figura 62, Creación de la malla sobre el modelo

Figura 63, Enmallado completo del modelo de la modelo

73

5.9.6. Aplicación de restricciones de movimiento y carga

En el empotramiento hecho a cada modelo se ubicaron restricciones de

desplazamiento en los ejes X y Y sobre los nodos de dos lados del área tomada,

para la aplicación de la carga se ubicó en dirección X positiva en la parte derecha

de la modelación sobre cada nodo y a si evaluar solo deformaciones y en un solo

sentido. (Ver figuras 64 a 66)

Figura 64, Aplicación de restricciones para desplazamientos en las direcciones X y Y

Figura 65, Control de Parámetros de la carga

74

Figura 66, Aplicación de cargas para en la dirección X (Líneas rojas)

5.9.7 Generación de la programación y solución

Teniendo todos los parámetros y condiciones establecidos del modelo se

procedió a solucionar el micro modelamiento para obtener los resultados sobre

esfuerzos y deformaciones, y también la generación del código de programación

para una modelación por medio del Software Ansys en la plataforma de APDL (ver

figuras 67 al 71)

Figura 67, Programación- Parámetros para definir la cantidad de datos generados para Esfuerzos y deformaciones.

75

Figura 68, Programación- Selección de tipo de elemento y espesor del análisis

Figura 69, Programación- Aplicación de las propiedades de cada fase del material

76

Figura 70, Programación- Creación de las áreas de cada fase

Figura 71, Programación- Aplicación de la carga y generación de archivos DATF y DATA en formato .txt

Dentro del análisis se obtuvieron imágenes de cómo se comportaría el material

con diferentes cargas y se analizaron las deformaciones elásticas y plásticas de

las muestras y sus fases. Ver figuras (72--81)

77

Figura 72, Deformación elástica material base SAE 1045 (A) Carga de 52*10-6 N, (B) Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N.



A B

C

78

Figura 15, Deformación elástica material SAE 1045 a temperatura de 726°C (A) Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N,

(D) Carga de 1000*10-6 N.


B

D C

A

79

Figura 16, Deformación elástica material SAE 1045 a temperatura de 788°C, (A) Carga de 277*10-6 N, (B) Carga de 355*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N,

(D) Carga de 1000*10-6 N.


A B

C

D

80

Figura 17, Deformación plástica material base SAE 1045, (A) Carga de 52*10-6 N, (B) Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N.


A B

C

81

Figura 18, Deformación plástica material SAE 1045 a temperatura 726°C, (A) Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 600*10-6 N, (C) Carga de 800*10-6 N.


A B

C

A B

82

Figura 19, Deformación platica material SAE 1045 a temperatura 788°C, (A) Carga de 277*10-6 N, (B) Carga de 600*10-6 N, (C) Carga de 1000*10-6 N.


C

83

También se tuvieron en cuenta los esfuerzos obtenidos de Von mises para cada

carga junto con los esfuerzos equivalentes en la zona plástica de las muestras

tomas para loa materiales tratados térmicamente, en las imágenes se muestra

cómo cambia losa fases del material y como se comportarían.

Figura 20, Esfuerzo de Von mises material SAE 1045 BASE. (A) Carga de 52*10-6 N, (B) Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N.


A B

C

84

Figura 21, Esfuerzo de Von mises materia SAE 1045 a temperatura 726°C (A) Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N,

(D) Carga de 1000*10-6 N.


A B

C D

85

Figura 22, Esfuerzo de Von mises materia SAE 1045 a temperatura 788°C , (A) Carga de 277*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N,

(D) Carga de 1000*10-6 N.


B A

C D

86

Figura 23, Esfuerzo equivalente zona plástica material base SAE 1045, (A) Carga de 52*10-6 N, (B) Carga de 58*10-6 N, (C) Carga de 62*10-6 N.


A

C

B

87

Figura 24, Esfuerzo equivalente material SAE 1045 a temperatura 726°C (A) Carga de 274*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C) Carga de 600*10-6 N.


A B

C

88

Figura 25, Esfuerzo equivalente zona plástica en material SAE 1045 a temperatura 788°C, (A) Carga de 277*10-6 N, (B) Carga de 350*10-6 N, (C)

Carga de 600*10-6 N y (D) Carga de 1000*10-6 N.


B

A

D C

89

5.9.7 Generación de diagramas de Esfuerzo-Deformación reales

Para cada uno de los análisis hechos, se tomaron los valores generados por el

mismo software y se realizaron las gráficas para el material base, material

templado a 726 ºC, material templado a 788ºC, donde se muestra en cada grafica

la secuencia de cómo se forma el diagrama. Ver Figuras (84-87).

Figura 26, Diagrama esfuerzo-deformación Material base SAE 1045

90

Figura 27, Diagrama material templado a 726 ºC

Figura 28, Diagrama material templado a 788 ºC

91

Figura 29, Diagrama de las muestras analizadas del material SAE 1045

92

6. RESULTADOS

Se realizaron diagramas de esfuerzo deformación donde se compararon las

gráficas de las pruebas hechas en el ensayo de tensión con respecto a las dadas

en el micro modelamiento, para cada muestra del acero 1045. Ver Figuras (59-62).

Figura 30, Diagrama de comparación del material base SAE 1045

93

Figura 31, Diagrama de comparación del material con Temple a 726°C

Figura 32, Diagrama de comparación del material con Temple a 788°C

94

7. CONCLUSIONES

- Como se puede apreciar en las gráficas pertenecientes al material base,

se muestra que el modelo planteado en el APDL, corresponde al

comportamiento de un acero DP (Dual phase), sin embargo al aplicar

este modelo para los materiales a temperaturas intercríticas AC1 y AC3,

con revenido (martensita revenida) el modelo no es recomendable a

menos que se posean las propiedades características de martensita

revenida a las temperaturas y revenido aplicados, porque sin estos

datos el modelo presenta grandes variaciones respecto a los resultados

experimentales.

- El proceso para la aplicación del modelo se realizó cumpliendo con los

parámetros establecidos, pero la diferencia en las gráficas comparativas

de material a 726°C y a 788°C, se aprecia una diferencia considerable

en los esfuerzos debido a las propiedades que presenta la martensita

revenida y que no se obtuvieron; agregado a las escasas fuentes de

información acerca de estas propiedades.

- Se determinó que el modelo es funcional cuando es aplicado sobre

componentes, ferrita-martensita con solo el tratamiento de temple, pues

al realizar el revenido se presenta un proceso en el cual existe una

difusión en los átomos de Carbono de la estructura que compone la

martensita.

- Se observó que el modelo utilizado para el material base (sin temple, ni

revenido) es semejante a los resultados obtenidos con el experimento

físico en el laboratorio de ensayo.

95

8. RECOMENDACIONES

- Se recomienda realizar más experimentos utilizando varias zonas de las

micrografías obtenidas, pues al tomar un tamaño (micras) tan pequeño,

la variación en los porcentajes de fase puede variar, y dar como

resultado un experimento totalmente diferente.

- Se recomienda realizar el montaje de un extensómetro al momento de

realizar las respectivas pruebas de tensión, pues este instrumento

puede ofrecer unos datos significativos a la hora de realizar el cálculo de

parámetros para los resultados del experimento desde luego ofreciendo

una mayor exactitud en la recolección de datos.

96

9. BIBLIOGRAFIA

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Diferentes Aceros Dual-Phase, 2008. Buenos Aires. Argentina.

[2] Iron and Steel Institute, “Advanced High Strenght Steels (AHSS): Application

Guidelines”, Iron and Steel Institute, Committee of Automotive Applications, 2005.

[3] Al-Abbasi, F. M., & Nemes, J. a. (2003). Micromechanical modeling of dual

phase steels. International Journal of Mechanical Sciences, 45, 1449–

1465.doi:10.1016/j.ijmecsci.2003.10.007

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continuous annealing of cold rolled dual-phase steel. Materials Science and

Engineering, 296–304.

[5] Christis Zenon Chrysostomou, Ph.D. Effects Of Degrading Infill Walls On The

Nonlinear Seismic Response Of Two-Dimensional Steel Frames, enero de 1991.

[6] Gupta, A., Goyal, S., Padmanabhan, K. A., & Singh, A. K. (2015). Inclusions in

steel: micro–macro modelling approach to analyse the effects of inclusions on the

properties of steel. The International Journal of Advanced Manufacturing

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[7] Crisafulli, F. J., & Carr, A. J. Elemento Panel Para El Análisis Dinámico No-

Lineal De Muros De Mampostería Encadenada. In VI Congreso Argentino de

Mecánica Computacional (MECOM’99), Mendoza, Argentina (Vol. 6).

[8] Callister Jr. William D., Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales,

Editorial Reverté S.A.

[9] Agueda C. Eduardo, Elementos Fijos ,5ª edición, ISBN: 978-84-9732-768-8,

Ediciones Paraninfo S.A., 2010.

[10] Cía. General de Aceros S.A., ficha técnica SAE 1045, Bogotá, Colombia.

97

[11] Aceros: Aleaciones Hierro-Carbono Visto en:

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o.htm, el 28 de septiembre de 2016.

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