Practica Aleaciones. Tenacidad de Fractura

7/22/2019 Practica Aleaciones. Tenacidad de Fractura

1/8

DETERMINACIN DE LA TENACIDAD DE FRACTURA EN

CONDICIONES DE DEFORMACIN PLANA.

1.OBJETIVOEl objetivo de esta prctica ser realizar un ensayo que permita obtener el valor de

tenacidad de fractura KICde una aleacin de aluminio EN AW 7075 T651.

Por otro lado tambin se har hincapi en la importancia de la aplicacin de la

norma tanto en este ensayo como en cualquier otro para garantizar la obtencin de

resultados equiparables y conservativos.

2.INTRODUCINA la hora de seleccionar un material para una determinada aplicacin, existen

diversos criterios seleccin como pueden ser los valores de las distintas propiedades

mecnicas, la resistencia a la corrosin o la conductividad.

En el mbito de la ingeniera civil la principal referencia a la hora de calcular una

estructura es el lmite elstico (Rp). A partir de este, se escoge un factor de seguridad

(denominado coeficiente de seguridad) que suele rondar valores prximos a 5, y se

multiplica por l, asegurando de este modo la fiabilidad estructural de la edificacin.

Dar un coeficiente de seguridad mayor supone aumentar el peso (aumento de la

seccin de una viga), cosa asequible para un edificio e imposible para una aeronave.

Por esta razn, las estructuras aeronuticas suelen llevar un coeficiente de

seguridad muy cercano a la unidad siendo la propiedad de referencia en el diseo la

tenacidad de fractura.

La tenacidad de fractura es un factor de intensidad de tensiones, es ms, es el valor

crtico (mximo) del factor de intensidad de tensiones que se podr alcanzar en el

frente de propagacin de una grieta. Valores mayores supondran la propagacincatastrfica de la grieta. El factor de intensidad de tensiones viene dado por la

expresin:

Siendo KIel factor de intensidad de tensiones en modo de apertura I (modo

conservativo),ael tamao de semigrieta (o grieta, si esta reside en una superficie) e

Yun factor de condiciones de contorno.

Por otro lado, conocido K ICes posible obtener la tensin crtica de propagacin de

un defecto preexistente de cierto tamao, as como el tamao crtico de defecto

para un nivel de tensiones de servicio dado:


2/8

Es importante hacer distincin entre tenacidad , que es la capacidad de un material

para absorber energa antes de romperse, medida en unidades de energa (J) y

obtenida con ensayos como el Charpy e Izod; y la tenacidad de fractura querepresenta la oposicin de un material a la propagacin catastrfica de una grieta y

sus unidades son MPam.

En los puntos siguientes, describiremos las distintas etapas del ensayo analizando

los resultados obtenidos y verificando el cumplimiento de los distintos requisitos

que impone la norma.

3.CARACTERIZACIN DE LA PROBETALa probeta suministrada por el laboratorio para la realizacin del ensayo es unaprobeta compacta C (T) de una aleacin de aluminio EN AW 7075en estado de

tratamiento T651, con dimensiones:

=11,84 mm

B=25,11 mm

W=49,95 mm

medidas con un calibre en el propio laboratorio, y un lmite elstico de

Rp0,2=552 MPa

La probeta posee una orientacin, que es importante tener en cuenta puesto que la

tenacidad de fractura depender de la orientacin y direccin de propagacin de lagrieta en relacin con la anisotropa del material. La probeta suministrada es de tipo

L-T. La Len primer lugar indica que la direccin perpendicular al plano de

propagacin de la grieta corresponde con la longitudinal (direccin de forja o

extrusin) y la Thace referencia a la direccin prevista de propagacin de la grieta,

que en este caso ser la transversal larga.

Cabe destacar ciertos aspectos de la morfologa de la probeta:

En primer lugar, presenta una entalla acabada en forma de V que facilita la creacin

de la grieta en el plano medio de la probeta permitiendo tensiones ms bajas y

tiempos ms cortos adems de ejercer un efecto direccionador. La entalla ya es en s

una grieta cuyo final en V evita la progresin de la grieta fuera del plano medio

asegurando su avance normal a las caras laterales.

Por otro lado posee dos agujeros que servirn como puntos de aplicacin de la carga

tanto en la etapa de fatiga como en el posterior ensayo de traccin.

Tambin destaca el grosor de la probeta (B) que, a diferencia de las probetas usadas

en otros ensayos como el de traccin, es bastante ms elevado. La finalidad de este


3/8

grosor, reside en la posibilidad de asegurar un estado de deformacin plana en el

centro de la probeta ya que este estado es el ms agresivo y por tanto conservativo.

La tenacidad de fractura de un material aumenta con la cantidad de deformacin

plstica producida antes de la fractura. Como esta deformacin depende del estado

de tensiones, y este a su vez, del espesor, resulta que la tenacidad de fractura vara

con el espesor de la probeta. A partir de cierto nivel de espesor KICse mantiene

constante por lo que se le puede atribuir el carcter de propiedad de material,

siendo una caracterstica del material independiente de la geometra de la probeta.

Si tras realizar el ensayo resulta que la fractura no se ha producido en un estado de

deformacin plana segn un cierto plano, ser necesario aumentar el espesor de la

probeta. El nuevo espesor a ensayar ser tal que:

Introduciendo el valor de KQobtenido. De igual modo como primera referencia se

pueden usar estimaciones basadas en comparaciones con materiales similares o

recurrir a las recomendaciones de la norma.

Por otro lado podemos observar que en los laterales no se da un estado de

deformacin plana sino un estado de tensiones planas, pues vemos como los planos

de rotura en los bordes son de 45 y -45 que corresponden con los planos de

tensin mxima en este estado.

4.ENSAYO A FATIGAEl ensayo a fatiga se realiza en unas condiciones que favorezcan la formacin rpida

de la pregrieta (15 min: etapa de nucleacin muy corta), siendo esta una de las

causas que podrn hacer cuestionar la validez del ensayo. Para esto, la carga es

aplicada en condiciones traccin-traccin de tipo sinusoidal con una frecuencia de

10 Hz.

Las condiciones del ensayo se recogen en la tabla 1.

Precarga media 5,9 kN

Carga alternativa 5,5 kN

Carca mnima real 0,41 kN

Carga mxima real 11,46 kN

Frecuencia 10 Hz

A continuacin se muestran los datos y el grfico del ensayo de fatiga:

Tabla1.Ensayo de fatiga.


4/8

Nmero deciclos

1000 2000

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000

Aperturaextensmetro(mm)

0,0015

0,0045

0,0084

0,0118

0,0160

0,0214

0,0266

0,0319

0,0374

0,0435

0,0514 0,0587 0,0691 0,0813 0,099

Midiendo la pendiente en un punto de la curva anterior (da/dN), podemos hacernos unaidea de la velocidad de crecimiento de la grieta y ver por tanto que esta no es constante

sino que va aumentando progresivamente.

Como el extensmetro varia 10 veces/s ser necesario tomar una medida media

representativa. Este extensmetro tambin ser til para determinar el tamao de la

pregrieta de fatiga ya que esta puede estar curvada y ser imposible de medir por los

extremos. A la vez que se va propagando la grieta, va aumentando la separacin entre

los dos brazos de la probeta; relacionando longitud de grieta-separacin de los brazos,podemos obtener un valor representativo de la longitud de la grieta y saber, as, cuando

detener el ensayo.

El valor de la pregrieta de fatiga, medida desde el eje de aplicacin de la carga tal como

indica la norma, es de:

del cual comprobaremos posteriormente su validez.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

aperturae

xtensmetro(mm)

Nmero de ciclos, N

Grfico 1. Ensayo de fatiga.


5/8

5.ENSAYO A TRACCIN

Tras la formacin de la grieta de fatiga, procedemos a la aplicacin de una carga detraccin en modo de apertura I (ms crtico) con una velocidad de 0,4 kN/s.

Como resultado del ensayo obtenemos una grfica (Grfico 2.pag X) que relaciona la

carga aplicada en cada instante con la apertura del extensmetro.

Calculamos la pendiente de la recta (sin tener en cuenta escalas) resultando un valor

de m=0,79 y trazamos una recta con el 95% de esta pendiente identificando el punto

de interseccin de esta recta secante con la curva: F5. F5sera el valor buscado FQsi

no hubiera un valor superior a su izquierda. Como existe un valor superior a F5a su

izquierda, FQ tomar este valor mximo que corresponde con Fmax=15,5 kN.

6.CCULO DE KQCon los datos obtenidos en el apartado anterior y utilizando las formulas siguientes

calculamos:

ESCRIBIR FORMULAAAAAAAAAAAAS!

KQ=29,5 MPam

f(a/W)=10,68

7.CUMPLIMIENTOS DE LA NORMA

En este punto vamos a proceder a la comprobacin de las condiciones impuestas por la norma

que se resumen en dos:

El estado de tensiones cerca del borde de la grieta se aproxime al dedeformacin plana.

La zona de deformacin plstica del frente de grieta tenga un tamaodespreciable en comparacin con el tamao de dicha grieta.

Cumpliendo esto, garantizamos el carcter conservativo del ensayo.

En primer lugar, en cuanto a las condiciones geomtricas de la probeta, se ha de cumplir que:

( )


6/8

Comparando los valores medidos de la probeta con el factor vemos que se

cumplen las tres condiciones geomtricas, por lo que podremos asegurar que el espesor es

suficiente para que se d un estado de deformaciones planas. Si no se cumplieran, sera

necesario aumentarlas tal y como se ha comentado en el apartado 3.

En segundo lugar, es necesario comprobar una serie de condiciones relativas a la etapa de

fatiga:

El tamao de la grieta de fatiga debe estar comprendido entre 0,45 y 0,55 veces el valor W. El

valor de aobtenido como media geomtrica de las medidas a1, a2 y a3 en el apartado 4es de

26,76 mm y, teniendo en cuenta que W= 49,95 mm: 26,76mm pertenece a [22,48 ; 27,47]

cumplindose esta condicin.

Cuanto ms pequea es la grieta, mayor ha de ser la tensin aplicada para alcanzar un nivel de

tensiones que conduzca a la propagacin inestable de la grieta. Por tanto, si el tamao de la

grieta es excesivamente pequeo se podr estar sobreestimando el valor de KIC. Por otro lado,

si es demasiado grande, se pueden alcanzar condiciones de rotura por traccin en la parte de

la probeta que no tiene grieta, lo que supondra subestimar el material.

Adems, ha de comprobarse la morfologa del frente de grieta ya que si la curvatura es

excesiva, la superficie de avance es mayor lo que provoca la modificacin del factor de

condiciones de contorno Y aumentando automticamente KICy pudiendo sobreestimar su

valor. Ello se consigue con los siguientes requisitos:

1. Cada uno de los valores a1, a2 y a3 no debe diferir en ms del 10 % de la media obtenida

a: 10% de a=2,68.

/a1-a/=0,4 /a2-a/=0,41 /a3-a/=0,01. LAS BARRAS SON VALORES ABSOLUTOS!

2. Cada uno de los valores a4 y a5 no debe diferir en ms del 15 % de la media obtenida a15% de a=4,01

/a4-a/=1,05 /a5-a/=0,85

3. La diferencia entre a4 y a5 no debe ser mayor del 10 % .10% de a=2,68./a4-a5/=0,2

Vemos que todos ellos se cumplen. Sin embargo, podramos haber anticipado esteresultado teniendo en cuenta el estado de tratamiento en que se encuentra la aleacin.Los estados TX5Y tienen como fin aliviar tensiones internas que generalmente sern decompresin en el exterior y de traccin en el interior. Estas tensiones sumadas a lasaplicadas dan lugar a una distribucin no uniforme de tensiones con la consiguientecurvatura de la grieta. Por tanto la aplicacin de una deformacin plstica (TX51) previa ala maduracin permitir igualar tensiones eliminando este efecto.

Como ltima condicin a imponer a la grieta, hay que comprobar que el plano que la

contiene no se desve ms de 10 del plano tericamente medio de la probeta, Condicinconfirmada en el laboratorio.


7/8

Tambin es necesario controlar la relacin entre las cargas mxima y mnima de fatiga Rque

en este caso es:

Valor comprendido entre -1R0,1 tal y como requiere la Norma.

La Norma impone un valor mximo a alcanzar por el factor de intensidad de tensiones

durante la etapa de fatiga : Kmax fatiga0,6 de KQ.. De este modo es posible asegurar que

no se ha producido deformacin plstica (o que esta es despreciable frente a la longitud de la

grieta) en el frente de grieta y por tanto la geometra de avance ser la ms agresiva

obteniendo, as, un valor conservador.

Imponer esta condicin, es equivalente a imponer: Fmax fatiga 0,6FQpuesto que sonproporcionales. Teniendo en cuenta que la fuerza mxima de fatiga es de 11,6 kNy que

Fq=15,5 kN la relacin anterior no se cumple (11,6>0,615,5=9,3). Esto implica deformacin

plstica considerable en el borde de la grieta no pudiendo concluir la equivalencia KQ=KIC, ya

que su valor se estar sobreestimando. Cuanto ms redondeada este la punta de grieta,

menor ser la concentracin local de esfuerzos.

En el ensayo de traccin tambin deben cumplirse las condiciones siguientes:

La pendiente del tramo elstico del registro grfico debe estar dibujada de tal modo que su

valor este comprendido entre 0.85 y 1.5 con el fin de garantizar minimizar errores de lectura.Mayores inclinaciones de la recta implican menores precisiones. La pendiente de la recta

medida sobre la grfica 2 tiene un valor de m=0,79 que est ligeramente fuera de los

mrgenes siendo el error cometido muy pequeo.

El valor mximo de carga durante el ensayo de traccin Fmax no debe superar en ms de un10% el valor de FQ ya que de esta forma se puede asegurar que la propagacin estable de lagrieta ha sido nfima. Si esta fuera considerable, se producira un proceso de convencional derotura por traccin siendo invlido el ensayo. En este caso, al ser FQ=Fmaxesta condicin secumple.

8.CONCLUSIONES GENERALES.Resumiendo las conclusiones anteriores, podemos destacar la importancia de las condiciones

impuestas por la Norma a la hora de obtener el valor de KIC. Bajo cumplimiento de todas ellas

se puede asegurar que el valor obtenido corresponde al valor real de tenacidad de fractura,

propiedad del material, y no un valor particular de la probeta ensayada.

Aunque las estructuras reales no suelen presentar un estado de deformaciones planas y su

resistencia a la propagacin de grietas no este medida por KIC(la tenacidad ser mayor), el uso

de este valor asegurar un clculo conservador.


8/8

Por ltimo, recalcar el hecho de que la validez de un ensayo ha de determinarse a posteriori,

realizando las comprobaciones necesarias, pues no es posible asegurarla de antemano aun

cumplindose todas las condiciones previas.

9.BIBLIOGRAFIAPiris, Nuria. Ciencia de Materiales para ingenieros. Ed: Pearson.

Arana (Jos Luis), Gonzlez (Javier Jess). Mecnica de fractura. Universidad del Pas Vasco.

Tarn (P.), Bada(J.M), Antoranz (J.M.), Prez (C.), Piris (N.).Apuntes Aleaciones aeroespaciales.

U.P.M

Practica Aleaciones. Tenacidad de Fractura

Documents

Transcript of Practica Aleaciones. Tenacidad de Fractura