la influencia del acabado superficial generado por
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LA INFLUENCIA DEL ACABADO SUPERFICIAL GENERADO POR PROCESOS DE GRANALLADO SOBRE LA RESISTENCIA A FATIGA DE LOS METALES
ALEJANDRO ALFONSO MOZO CUBIDES
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2014
1
LA INFLUENCIA DEL ACABADO SUPERFICIAL GENERADO POR PROCESOS DE GRANALLADO SOBRE LA RESISTENCIA A FATIGA DE LOS METALES
Proyecto de grado para optar por el título de
Ingeniero mecánico
ALEJANDRO ALFONSO MOZO CUBIDES
ASESOR: LUIS MARIO MATEUS SANDOVAL. M.Sc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2014
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a todas las personas que me colaboraron y apoyaron para que este proyecto se pudiera elaborar de la mejor de las maneras.
Al profesor Luis Mario Mateus, quien me orientó en todo el proceso, agradezco también su completa disposición a cualquier ayuda que yo presentara y a los consejos que me brindo sobre el
proyecto y la vida profesional.
A los técnicos y encargados de los laboratorios Ramiro Beltrán, Juan David Hernández, José Nieto, Jorge Reyes y Jimmy Niño quienes siempre me brindaron un gran apoyo durante toda mi carrera.
Agradezco a Gerardo Hidalgo quien siempre me brindo toda su colaboración con la mejor actitud.
A mis padres José Mozo y Elizabeth Cubides,
quienes siempre me acompañaron y me bendijeron en cada paso de mi vida.
A mi hermana María Isabel, quien siempre fue mi inspiración y mi consejera.
3
TABLA DE CONTENIDO
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 4
1.1. ESTADO DEL ARTE………………………………………………………………………………………………………….…5
1.2. OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………………....……6
1.2.1. OBJETIVO GENERAL…………………………………………………………………………………………….…..6
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………………………………………………………………………….……6
CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 7
2.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO………………………………………………………………………..…………..………7
2.1.1. MODELO DE SHIGLEY………………………………………………………..……………….………………….7
2.1.2. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA………………………………………..…………..9
2.1.3. MÉTODO DE TAGUCHI……………………………………………………………………………………..…..10
2.1.4. MODELO DE HERTZ………………………………………………………………………………….…………..10
2.2. ETAPA EXPERIMENTAL…………………………………………………………………………………………………..12
2.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN…………………13
2.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA………………………………………………………...13
2.2.2.1. MÁQUINA DE FATIGA……………………………………………………………………..…….14
2.2.2.2. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA………………………………………..15
2.2.2.3. RANGOS DE CONFIABILIDAD PARA LAS CURVAS DE FATIGA………………..16
2.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS
SUPERFICIALES………………………………………………………………………..……………………………17
2.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD…………………………………………………………….………..17
2.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL……………………………………………………….17
2.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA………………………………………………….…………….17
CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 19
3.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO…………………………………………………………………………………….…..19
3.1.1. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA……………………………….…………………19
3.1.2. MÉTODO DE TAGUCHI…………………………………………………………………………………..……19
3.2. ETAPA EXPERIMENTAL………………………………………………………………………………………………..21
3.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN………..…….21
3.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA…………………………………………………..….21
3.2.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA Y RANGOS DE
CONFIABILIDAD PARA LAS CURVAS DE FATIGA………………………..………………..21
3.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS
SUPERFICIALES……………………………………………………………………………………….…………..26
3.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD……………………………………………………….……………26
3.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL………………………………….………………….26
3.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA………………………………………………………………27
4
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 28
4.1. COMPARACION DE LAS CURVAS DE FATIGA……………………………………………………………..28
4.1.1. INFLUENCIA DEL DIAMETRO DE GRANALLA………………………………………..…………..28
4.1.2. INFLUENCIA DE LA PRESION…………………………………………………………………………….29
4.1.3. INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD Y DE LA DUREZA SUPERFICIAL………………………30
4.1.4. INFLUENCIA DE LA ESTRUCRUTA INTERNA……………………………………………………..32
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………..……….34
CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES…………………………………………………………………………………………35
BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………….………………….36
ANEXOS………………………………………………………………………………………..……………………………………….38
0
NOMENCLATURA
f = Fracción de Sut ( ’f)103 ciclos
1
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Datos para la determinación de Ka [1]…………………………………….…………………………………..……………8
Tabla 2. Datos para la determinación de Ke [1]…………………………………………………….……………………………….8
Tabla 3.Características de la Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19 [4]……………..…………14
Tabla 4. Parámetros y niveles de control seleccionados para el proyecto. ………………………………………….19
Tabla 5. Resultados obtenidos por el método de Taguchi………………………………………………………….…………20
Tabla 6. Propiedades importantes en el comportamiento a fatiga, obtenidas por medio del ensayo a
tensión…………………………………………………………………………………………………………………………………………………21
Tabla 7. Datos obtenidos por el método de Shigley. MATERIAL BASE…………………………………………………..21
Tabla 8. Datos obtenidos por el método de mínimos cuadrados. MATERIAL BASE……………………………….22
2
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Curvas S-N obtenidas del material base y después del shoot peening. Torres y Voorwald
(2001) [3]………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………..5
Ilustración 2. Curva S-N, con diferentes diámetros de granalla. Montufar (2013) [4]…………………………………….6
Ilustración 3. Fracción de resistencia a la fatiga f [1]………………………………………………………………………………..……9
Ilustración 4. Contacto entre la esfera y la superficie del objeto a impactar [9]…………………….……………………..11
Ilustración 5. Esquema del modelo de Y.Xiang y Y.Liu [11]………………………………………………………………..…………12
Ilustración 6. Geometría de la probeta a tensión bajo la norma ASTM A370 [12]…………………………………………………………..13
Ilustración 7. Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19……………………………………….…………………..14
Ilustración 8. Diagrama de la máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19……………………………………15
Ilustración 9. Ejemplificación de la construcción de la curva S-N y si rango de confiabilidad [13]………………..16
Ilustración 10. Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ-210 [15]……………………………………………………………………..…..17
Ilustración 11. Metalografía x100, Arriba a la izquierda (S110-80PSI); Arriba a la derecha (S110-120Psi); Abajo
a la izquierda (S280-100Psi)……………………………………………………………………………………………………..……………….…33
3
LISTA DE GRAFICAS
Grafica 1. Construcción de la gráfica de fatiga. MATERIAL BASE…………………………………………………………………..22
Grafica 2. Construcción de la gráfica de fatiga. S460- 100Psi……………………………………………………………………….23
Grafica 3. Construcción de la gráfica de fatiga. S280- 100Psi……………………………………………………………………….24
Grafica 4. Construcción de la gráfica de fatiga. S110- 100Psi……………………………………………………………………….24
Grafica 5. Construcción de la gráfica de fatiga. S110 - 120Psi……………………………………………………….…………….25
Grafica 6. Construcción de la gráfica de fatiga. S110- 80Psi………………………………………………..………………………25
Grafica 7. Datos obtenidos por medio de la prueba de rugosidad………………………………………………………………26
Grafica 8. Datos obtenidos por medio de la prueba de dureza superficial………………………………………………….26
Grafica 9. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE DIAMETRO
DE GRANALLA…………………………………………………………………………………………………………………………………………….27
Grafica 10. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE PRESION…………………..….27
Grafica 11. Comparación de curvas de fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA………………………..………28
Grafica 12. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA…………………………..29
Grafica 13. Comparación curvas de fatiga. CAMBIO DE PRESION………………………………………………………………..29
Grafica 14. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE PRESION……………………………..………………………30
Grafica 15. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO
DE DIAMETRO DE GRANALLA………………………………………………………………………………………………………..……………31
Grafica 16. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO
DE PRESION…………………………………………………………………………………………………………………………..……………………32
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
Algunos componentes que conforman un mecanismo pueden fallar bajo la presencia de esfuerzos
estáticos, pero otros componentes pueden fallar bajo la presencia de esfuerzos fluctuantes, a
dicha falla se le llama falla por fatiga. Generalmente, la aplicación de cargas estáticas sobre los
materiales proporcionan suficiente tiempo para que las dislocaciones del material se propaguen
de una forma casi controlada y esto genere una deformación plástica sobre el material antes de
generar su fractura, gracias a esta deformación, es fácil de identificar la próxima falla del elemento
y cambiarla antes de que se genere una fractura. Sin embargo, la aplicación de cargas fluctuantes
sobre los materiales no proporcionan dicho tiempo para generar la deformación plástica, por ello,
la fractura de los elementos se generan de forma abrupta y sin previo aviso, dando la posibilidad
de generar graves accidentes en el momento de la falla del material [1]. Por ello es de suma
importancia el estudio que se ha venido realizando sobre el efecto de fatiga y como se puede
prevenir o mejorar el comportamiento de las piezas que se encuentran en presencia de dichos
esfuerzos fluctuantes.
La falla que ocurre por medio de la fatiga presenta características diferentes a la que tiene una
falla estática. La falla a fatiga empieza con el desplazamiento de las dislocaciones dentro del
material generando la presencia de microgrietas situadas alrededor de los bordes de granos del
material. Seguido a esto, los esfuerzos cíclicos propagan las microgrietas abriéndolas y cerrándolas
periódicamente, generando que estas se conviertan en macrogrietas. Como última etapa, el
material no puede resistir las cargas, y la fractura de material se genera incluso en presencia de
esfuerzos por debajo de la resistencia a la fluencia del material [1]. La magnitud de esos esfuerzos
tienen una gran dependencia de algunos factores como: Acabado superficial de los elementos,
tamaño, temperatura y concentradores de esfuerzos entre otros.
Existen diferentes tratamientos y técnicas que pueden ayudar al aumento de la vida a fatiga de los
materiales, todos ellos tienen como objetivo el generar esfuerzos dentro del material que eviten o
restrinjan la propagación de las microgrietas. El granallado “shot peenig” es una de estas técnicas.
El granallado es un proceso de trabajo en frio el cual generalmente en la industria es usado para la
limpieza y preparación de superficies por medio de chorros abrasivos, pero su otra función es la de
mejorar la resistencia de piezas metálicas que se encontraran en presencia de esfuerzos cíclicos.
El granallado es un proceso en el cual se ataca con unas partículas metálicas, poliméricas o
cerámicas, por medio de máquinas a chorro, la superficie de un material. A pesar de que la
geometría de las partículas más usada en la industria es la esférica, estas partículas pueden tener
otras geometrías dependiendo de lo que se desee realizar sobre el material. El aumento a la vida a
fatiga de los materiales es generada gracias a que parte de la energía cinética con la que es
impactada las esferas sobre el material es consumida por el material al que se impacta, esta
absorción de energía es la que produce que se generen esfuerzos residuales en la superficie del
material y obstaculiza la propagación de las grietas [2].
Actualmente, en la industria colombiana, esta técnica no es muy usada para generar el aumento
de vida a fatiga de los materiales, esto se debe a que no se encuentra con una caracterización
5
estándar y con un estudio previo sobre la influencia del granallado en la resistencia a fatiga. Por
ello, es de gran interés el estudio de los parámetros involucrados en los procesos de granallado y
el efecto de estos sobre el comportamiento a fatiga de los materiales.
1.1. ESTADO DEL ARTE
Hasta hoy, varios proyectos e investigaciones se han realizado para caracterizar como el proceso
de granallado influye en la resistencia a la fatiga de varios materiales. Torres y Voorwald, en una
investigación, mostraron cual era la influencia que la rugosidad tenía sobre el comportamiento a
fatiga de un acero 4340, este acabado superficial fue generado por medio de un proceso de shot
peening, en el cual se seleccionaban diferentes combinaciones de granalla y de presión de ataque
para generar las diferentes rugosidades. Por medio de su investigación, Torres y Voorwald llegaron
a las siguientes conclusiones: El proceso de granallado es un proceso óptimo para aumentar la
resistencia a fatiga de los materiales; las probetas aumentan su vida a fatiga con el aumento de la
rugosidad generada por medio del proceso de granallado, pero la rugosidad presenta una
magnitud optima en la que probetas con rugosidades mayores a la óptima presentaran una
disminución en la vida del elemento.
Ilustración 1. Curvas S-N obtenidas del material base y después del shoot peening. Torres y Voorwald (2001) [3].
En la ilustración 1 se muestra las curvas de (S) Esfuerzo- (N) Numero de ciclos que obtuvieron
Torres y Voorwald en su investigación. En esta se compara las curvas obtenidas por medio de las
pruebas de fatiga sobre las probetas con las diferentes rugosidades.
El estudiante de la Universidad de los Andes, Ramiro Sebastián Montufar, en su proyecto de grado
trabajo en la caracterización de un acero 8620, en donde mostraba cual era la influencia del
diámetro de granalla sobre el comportamiento a fatiga. En este proyecto, Ramiro Montufar
genero el acabado superficial sobre las probetas de fatiga por medio del proceso de granallado, en
el cual dejo constante la presión con la que se impactaría las esferas y vario el diámetro de
granalla. Como conclusión de su proyecto se obtuvo lo siguiente: El shot peenig como tratamiento
superficial mostro resultados a fatiga favorable, en donde se obtuvieron mejoras hasta del 16%; El
diámetro de granalla utilizada parece no ser de gran influencia en el comportamiento a fatiga de
los materiales [4].
6
Ilustración 2. Curva S-N, con diferentes diámetros de granalla. Montufar (2013) [4].
En la ilustración 2 se muestra las curvas de (S) Esfuerzo- (N) Numero de ciclos que obtuvo Montufar en su proyecto. En esta se compara las curvas obtenidas por medio de las pruebas de fatiga sobre las probetas con los diferentes diámetros de granalla.
En base en las investigaciones anteriormente mostradas, y con la intención de seguir con el estudio del shot peening como proceso para el aumento en la resistencia a fatiga de los materiales, es necesario determinar como otros parámetros que pueden ser controlados, en un proceso de granallado, influencian el comportamiento a fatiga de los materiales. Y aparte de esto, es necesario comprender que es lo que el proceso le genera a la estructura del material que genera tal comportamiento.
1.2. OBJETIVOS 1.2.1. OBJETIVO GENERAL
Determinar cómo los parámetros que pueden ser controlados en un proceso de granallado “Shot Peening”, afectan algunas propiedades mecánicas del acero SAE 8620 y en principal su comportamiento a fatiga. Esto con el fin de generar procesos adecuados, que nos ayuden a aumentar la vida a fatiga de los materiales por medio del proceso de granallado.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Generar un diseño del experimento, el cual nos determine, en cuáles de los parámetro que pueden ser controlados en un proceso de granallado es mejor concentrar el análisis.
Determinación de propiedades mecánicas influyentes en el comportamiento a fatiga del acero SAE 8620 por medio de ensayos de tensión bajo normas técnicas.
Generar la construcción de curvas de esfuerzo – Número de ciclos bajo las normas técnicas, por medio de la realización de ensayos de fatiga para las probetas con y sin tratamiento superficial.
Estudiar el efecto que genera el proceso de granallado sobre las probetas del acero SAE 8620. Esto por medio de caracterizar la dureza superficial, rugosidad y microestructura; de las probetas con y sin tratamiento superficial que serán usadas en los ensayos a fatiga, bajo normas técnicas ingenieriles.
7
CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA
El proyecto se realizó en diferentes etapas. Primero se investigó sobre un modelo que nos sirva
como base y punto de comparación de nuestras pruebas de fatiga (método de Shigley), en el,
determinamos cuales son las propiedades mecánicas que rigen el comportamiento a fatiga de los
materiales (pruebas de tensión). Segundo se averiguo sobre los procesos de granallado en
Colombia y que parámetros son controlados en el proceso, esto para determinar nuestros puntos
de análisis. Tercero, se averiguo sobre un método probabilístico (método taguchi) que nos
determine cuáles son las pruebas más adecuadas y cuantos especímenes se necesitan por prueba
para obtener los mejores resultados y generar mejores análisis y conclusiones sobre el
experimento. Como últimas etapas se tuvieron: La elaboración de las pruebas de fatiga y
reconstrucción de las curvas de Esfuerzo- Numero de ciclos, y la elaboración de pruebas para
caracterizar los diferentes tratamientos superficiales.
2.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO
2.1.1. MODELO DE SHIGLEY
Este modelo nos da una aproximación al comportamiento que tendría un material al estar bajo
esfuerzos fluctuantes. Por medio de este modelo podremos identificar el número de ciclos que
soportara un material antes de fallar, esto dependiendo de la magnitud del esfuerzo aplicado.
Además también nos mostrara propiedades como el límite de resistencia a la fatiga, la cual
representa el valor del esfuerzo mínimo que necesita un material para fallar a fatiga.
Para determinar del límite de resistencia a fatiga se realiza lo siguiente:
Primero se determina el límite de resistencia para una muestra de viga rotativa, la cual está dada
en base a la resistencia a la tensión del material (Determinada por pruebas de tensión).
[Ec.1]
Después de esto se utiliza los factores de Marín, los cuales modifican el límite de resistencia a
fatiga de los materiales, esto se debe realizar puesto que la resistencia a fatiga de los materiales
depende mucho de la geometría, acabados superficiales y diseño entre otros [1]. Con ello, la
ecuación para determinar el límite de resistencia a fatiga es la siguiente:
Para la determinación de Ka se utiliza la ecuación 3, en donde los parámetros de a y b se
encuentran en la tabla 1. En esta tabla se encuentran los factores modificadores de superficie
generados por específicos procesos, pero ya que el proceso de granallado no se encuentra entre
estos, es necesario de generar otro modelo en el que podamos encontrar este factor generado por
el granallado.
8
Tabla 1. Datos para la determinación de Ka [1].
Los factores de forma Kb para flexión y torsión pueden verse en la ecuación 4. Para cargas axiales
el factor de forma toma el valor de 1. En esta ecuación se entra por medio del diámetro de la
sección menor de la probeta.
[Ec. 4]
El factor de carga Kc hace referencia a la forma en la que fue aplicada la carga. Este factor se
muestra en la ecuación 5.
[Ec. 5]
El factor de carga Ke hace referencia a la confiabilidad deseada en los datos. Este factor se muestra
en la siguiente tabla. Para efectos de este proyecto se requerirá de una confiabilidad del 95%.
Tabla 2. Datos para la determinación de Ke [1].
En este proyecto, ya que se trabajó en un ambiente con temperatura y humedad controlada, se
tomara Kd como 1. Además como la probeta no contiene muescas que generen concentradores de
esfuerzo el factor Kf se tomaran también como 1.
9
Para determinar del número de ciclos que resistirá el material antes de fallar a la
presencia de un esfuerzo especifico se realiza lo siguiente:
Primero se determina f, por medio de la ilustración 3.
Ilustración 3. Fracción de resistencia a la fatiga f [1].
Seguido a esto, se determinan las constantes y por medio de las siguientes ecuaciones.
( )
( )
Como último se utiliza la ecuación 8, en donde se encontrara la el esfuerzo que se necesita para
hacer fallar el material a cierto número de ciclos.
2.1.2. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA
Para conocer sobre los parámetros que se usan y se manipulan en un proceso de granallado fue
necesario de contactar algunas empresas que realizaran este tipo de procesos. Blasting Experts, es
una de las únicas empresas de granallado en Bogotá que rigen sus procesos bajo normas técnicas.
Por medio de esta empresa, se comprendió de una mejor forma en que consistía el proceso de
granallado y se determinó nuestros parámetros de control para realizar los diferentes acabados
superficiales sobre nuestras probetas.
Los parámetros que pueden ser controlados en un proceso de granallado son los siguientes:
Diferentes diámetros de granalla (Ver anexo 1)
Diferentes tiempos de exposición de los materiales
Diferentes presiones con las que se impactaran la granalla
10
Estos parámetros también dependen del tipo de máquina que se esté utilizando para generar el
acabado superficial. Las diferentes maquinas se presentan en el los anexos 2 y 3 [5].
2.1.3. MÉTODO DE TAGUCHI
Luego de determinar cuáles son los parámetros que se van a controlar y manipular en el
experimento, se requiere encontrar las mejores combinaciones de dichos parámetros, que nos
permitan obtener los resultados más adecuados con el fin de generar buenos análisis y buenas
conclusiones del experimento. Esto se necesita, para evitar el realizar pruebas con todas las
posibles combinaciones entre los parámetros y encontrar específicas combinaciones que aún nos
generen buenos resultados, puesto que generar pruebas con todas las combinaciones requerirá de
mucho tiempo y presupuesto de nuestro proyecto.
El método Taguchi, desarrollado por Genichi Taguchi, es un método probabilístico que busca
mejorar la calidad de procesos de manufactura. Este método requiere de una señal de entrada, la
cual contendrá nuestros parámetros controlables del experimento, en nuestro caso, presión y
diámetro de granalla. Además de esto, este método requiere de una señal de salida, la cual es un
valor que depende directamente de los valores de nuestra señal de entrada. Esta señal de salida,
son valores reales que se obtienen de especificas combinaciones entre los parámetros de entrada
[6].
Por medio de estas señales, el método Taguchi realiza todas las posibles combinaciones entre
todos los niveles de los parámetros de entrada y genera predicciones sobre cuáles serán los
nuevos resultados a obtener. Este método tiene como finalidad el mostrar la relación que tiene las
variables de entrada sobre una respuesta variable [7], lo cual nos permitirá identificar cuáles son
las mejores combinaciones de nuestros parámetros de control para generar la mayor variabilidad
entre los resultados y por medio de esto, obtener buenos análisis sobre el experimento.
Este método de Taguchi será implementado por medio del software MINITAB, el cual es una gran
herramienta probabilística [8].
2.1.4. MODELO DE HERTZ
Ya que en el método Taguchi es necesario de suministrar una señal de salida la cual dependa de
los parámetros de control, fue determinante el encontrar un modelo en el que estos parámetros
se pudieran relacionar y nos generen dicha dependencia. Para esto, Se pensó sobre un factor
modificador mostrado por Shigley como señal de salida, este nos mostraría como la presión y el
diámetro de granalla nos modificaría el acabado superficial del material. Ya que el método de
Shigley, ver sección 2.1.1, no contiene a el proceso de granallado en sus datos de factores
modificadores de superficie, es necesario de construir un modelo el cual nos determine dicho
factor modificador. Por ello, se decidió en usar el modelo de Hertz para construir ese factor
modificador [9].
11
El modelo de Hertz nos muestra cuales son las consecuencias que trae el impacto de una esfera
sobre la geometría del objeto a impactar. En la aplicación del modelo de Hertz se asumen las
siguientes suposiciones:
La esfera impacta sobre una superficie totalmente plana.
El contacto entre la esfera y la superficie a impactar se realiza con una condición de no
fricción.
La esfera no presenta deformación alguna después de su impacto sobre la superficie del
material.
La ilustración 4, nos muestra como es la interacción que tiene la esfera con la superficie del
material una vez existe contacto entre los dos objetos.
Ilustración 4. Contacto entre la esfera y la superficie del objeto a impactar [9].
Los parámetros que rigen el método de Hertz son los siguientes: ( ) El radio de contacto de las
superficies, (p) presión en el área de contacto y (h) la profundidad de la muesca dejada por la
penetración de la esfera.
[
]
En el caso en que el material de la esfera y el material a impactar presenten módulos de Young y
Poisson similares (Con diferencias menores al 15%), la ecuación del radio de contacto se convierte
en lo siguiente:
( ( )
)
La ecuación que describe la presión en el área de contacto es la siguiente:
12
( ) √
√
(
)
La profundidad de la muesca dejada por el impacto es determinado por la ecuación 12.
*
( )
+
⁄
Una vez obtenidos estos parámetros por medio del método de Hertz, implementan los modelos
desarrollados por Y. Xiang y Y.Liu [11], esto con el fin de obtener el valor del factor modificador
por superficie generado por el proceso de granallado.
Ilustración 5. Esquema del modelo de Y.Xiang y Y.Liu [11].
La ecuación que nos determina el valor del factor modificador generado por un proceso de
granallado es el siguiente:
(
)
2.2. ETAPA EXPERIMENTAL
En la etapa del diseño del experimento se observó que el comportamiento a fatiga depende de
ciertas propiedades del material, por lo que es necesaria la realización de pruebas para determinar
el valor de estas propiedades. Una de estas propiedades es la resistencia a la tensión, ver sección
2.1.1, la cual se debe determinar por medio de un ensayo a tensión.
Además de esto, es necesario el realizar pruebas para caracterizar el comportamiento a fatiga del
material con y sin tratamiento superficial, para esto realizaran pruebas a fatiga del material y
posterior a ello se construirá la curva de Esfuerzo-Numero de ciclos por medio de la obtención de
los datos experimentales.
Con el ánimo de comprender que efecto le genera el granallado sobre la superficie y la estructura
del material, se necesitara caracterizar las probetas con y sin tratamiento superficial por medio de
pruebas de dureza, rugosidad y metalografía.
Es de gran importancia el realizar todos los ensayos bajo normas técnicas, esto con el fin de poder
generar una repetitividad y validez del experimento.
13
2.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN
Por medio de este ensayo es posible conocer diferentes propiedades del material, entre estos
están: Resistencia a la tensión, resistencia a la fractura, módulo de Young y tenacidad entre otros.
Esta prueba es realizada bajo la norma técnica ASTM A370.
La prueba consiste en colocar la probeta en una maquina universal, la cual en este experimento es
la INSTRON 5586, y aplicarle una carga axial. Para medir la elongación que va presentando la
probeta a medida que se le está aplicando la carga estática se utiliza un extensómetro [12].
La geometría de la probeta depende de diferentes factores, unos de estos son la forma en la que
vaya a ser sujetada la probeta en la máquina y del espacio entre las mordazas. En la ilustración 6,
se muestra la geometría que se utilizara en estos ensayos y las dimensiones de la probeta son
mostradas en el plano que se encuentra en el anexo 4. Las probetas fueron fabricadas en un torno
CNC, ver código en el anexo 5.
Ilustración 6. Geometría de la probeta a tensión bajo la norma ASTM A370 [13].
Como resultado de esta prueba se obtiene una gráfica de esfuerzo-deformación en la que se
evidenciara diferentes propiedades del material.
2.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA
Esta etapa es una de las más críticas del proyecto, puesto que por medio de esta se obtendrán los
datos más importantes en el proyecto y en base a estos se realizaran todos los análisis y
conclusiones del experimento, por esto, es fundamental que esta etapa se realice cuidadosamente
y bajo normas técnicas.
La elaboración de las pruebas y las dimensiones de las probetas fueron realizadas bajo la norma
ASTM E739 [14], dimensiones mostradas en el plano del anexo 6. Además, la fabricación de las
probetas a fatiga fue realizadas por medio de un torno CNC, código mostrado en el anexo 7.
Para la construcción de la gráfica S-N, fue necesario fallar el material con diferentes niveles de
esfuerzo, esto para obtener diferentes números de ciclos de falla. Estos niveles de esfuerzo se
14
aplicaban por medio de unas pesas las cuales eran localizadas en la esquina del brazo de la
mordaza libre, ver ilustración 8.
2.2.2.1. MÁQUINA DE FATIGA
Las pruebas de fatiga fueron realizadas en la maquina Roating Wohler HSM 19, mostrada en la
ilustración 7. Esta máquina consta de un contador, de un motor de 240 W , un contrapeso de 25 g
y una polea en donde se colgara la carga.
Ilustración 7. Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19.
Las características de la maquina a fatiga se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 3.Características de la Máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19 [4].
Máquina de Fatiga
Voltaje [V] 110
Fase 1
Frecuencia [Hz] 60
Mode. No HSM 19
Corriente [Amp] 2 @ 110 V
Potencia Max [W] 240
Ser. No 19/22
Vel angular [rpm] 5700
Rel. Contador 1:100
Las pruebas ejecutadas en esta maquina de fatiga, fueron realizadas unicamente bajo esfuerzos de
flexión, en donde la carga se encontraba distanziada a 125 mm del centro de la probeta. Ver
ilustracion 8.
15
Ilustración 8. Diagrama de la máquina de fatiga. Roating Wohler Machine HSM 19 [4].
Para calcular el esfuerzo a flexión que actúa sobre la probeta se debe tener en cuenta el
distanciamiento de la carga al punto medio de la probeta y el diámetro de la probeta en ese sitio.
2.2.2.2. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA
Después de la obtención de los datos para cada nivel de esfuerzos y cada tipo de tratamiento
superficial, es necesario de implementar un método el cual nos construya las curvas de Esfuerzo-
Numero de ciclos. El método que se va a implementar es el mostrado por la norma técnica ASTM
E739-10, en la cual se usa el método de mínimos cuadrados para la construcción de la curva [14].
El modelo presenta la siguiente forma:
( )
( )
En donde las constantes y se determinan de la siguiente manera: Cabe resaltar que n es el
número de probetas falladas por espécimen.
∑ ∑
∑ ∑
∑ ∑ ∑
∑ ∑ ∑
∑ ∑ ∑
Al reorganizar las ecuaciones y con base en las suposiciones mostradas en la norma, ver anexo 8,
se obtiene la siguiente ecuación la cual nos permite construir la curva S-N:
( )
Donde
( )
16
La varianza de la distribución normal es determinada por la siguiente ecuación:
∑( )
2.2.2.3. RANGOS DE CONFIABILIDAD PARA LAS CURVAS DE FATIGA
La norma ASTM E739-10 nos genera una construcción de la curva de fatiga con una confiabilidad
del 95%, en donde nos asegura que solo el 5% de los datos obtenidos por medio de los ensayos de
fatiga serán rechazados. En esta norma se pudo ver que el número mínimo de especímenes para
obtener datos suficientes y poder construir una curva de Esfuerzo-Numero de ciclos confiable es
de 15 puntos o pruebas, por lo que en el proyecto se trabajara con 20 pruebas para la
construcción de la curva [14].
Para la construcción de las curvas de confiabilidad, ver ilustración 9, se seguirán los siguientes
pasos [13]:
1. Se identificaran los niveles de esfuerzos en los que se realizara el análisis. 2. Se determina la constante Fp dependiendo del número de especímenes, ver anexo 8. 3. Se determinan los intervalos de confianza para cada nivel de esfuerzos. 4. Se determinan los nuevos valores de Y por medio de los intervalos de confianza y la
varianza.
Ilustración 9. Ejemplificación de la construcción de la curva S-N y si rango de confiabilidad [14]
Los intervalos de confianza se determinan por medio de la siguiente ecuación:
√
*
( )
∑ ( )
+
⁄
Los nuevos valores de Y se determinan por medio de la siguiente ecuación:
Donde es determinado por medio de la ecuación 22.
17
2.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS
SUPERFICIALES
Con el fin de caracterizar y ver cuál es el efecto que presenta el proceso de granallado sobre las
probetas de acero SAE 8620, se prosiguió a realizar ensayos de dureza superficial, rugosidad y
metalografía, todas estas bajo normas técnicas ASTM. Estas pruebas fueron realizadas para el
material base (sin tratamiento superficial) y las probetas con los diferentes tratamientos, esto con
el fin de tener puntos de comparación y realizar un mejor análisis de los resultados.
2.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD
En esta prueba se usó el equipo Mitutoyo Surftest SJ-210, ver ilustración 10. Esta prueba no tiene
muchos requerimientos, lo único a tener en cuenta es que la superficie del objeto a analizar debe
ser plana para poder ubicar el rugosimetro. El fundamento de realizar esta prueba vino al saber
que el acabado superficial es un parámetro importante en el comportamiento a fatiga de los
materiales, ver sección 2.1.1, y se quería ver si en el comportamiento generado por el proceso de
granallado la rugosidad influía en gran medida a los resultados.
Ilustración 10. Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ-210 [15].
2.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL
Esta prueba nos determinara si el proceso de granallado nos genera un endurecimiento superficial
o no y si este endurecimiento es de gran influencia en el comportamiento a fatiga obtenido en el
proceso de granallado. Estas pruebas se realizaron bajo la norma ASTM E18 – 12 [16]. La norma
recomienda que se realicen un número de cinco mediciones por cada espécimen que vaya a ser
analizado, esto con la finalidad de generar un resultado confiable de la medición.
2.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA
Por medio de esta prueba queremos observar cuales son las características de la estructura
interna del material a presencia de los diferentes procesos de granallado. Esta prueba se realizó
bajo la norma técnica ASTM E1382 – 97, en donde se muestra cómo se va a hacer el análisis de los
resultados y como debe hacer la preparación de las muestras [17].
18
La preparación de las muestras para la prueba de metalografía será la siguiente:
1. Corte transversal de las probetas a analizar. (Por medio de una cortadora con disco de
diamante).
2. Embebido y pulido de los cortes.
3. Ataque químico, Nital.
Se realizaron únicamente cortes transversales de las probetas puesto que al haber sido
impactadas las esferas de granalla en dirección normal a la superficie de las probetas, la estructura
de estas presentara su mayor deformación en la misma dirección.
Para comprender como es el cambio de la estructura entre la superficie del material y el centro, se
realizaran diferentes puntos de análisis, uno en la superficie del material, otro en el centro de la
probeta y otros distribuidos entre la superficie y el centro de la muestra.
19
CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
En este capítulo se mostraran los resultados obtenidos de las etapas del proyecto. Se
empezara mostrando los resultados del proceso para diseñar el experimento, seguido de los
resultados de la caracterización del material, continuando con los resultados de la prueba de
fatiga y finalizando con los resultados de la caracterización del efecto del granallado sobre la
superficie de las probetas.
3.1. DISEÑO DEL EXPERIMENTO
3.1.1. GRANALLADO EN LA INDUSTRIA COLOMBIANA
Por medio de la investigación que se realizó sobre el proceso de granallado en la industria
colombiana y con la información suministrada por la empresa Blasting Express, se encontró que
los parámetros que pueden ser controlados en dicho proceso son los siguientes: Tiempo de
exposición, diámetro granalla, presión de impacto y distancia de ataque.
Para el desarrollo del proyecto se descartó el tiempo de exposición y la distancia de ataque como
parámetros en los que se centraría nuestra investigación. Esto debido a que el tiempo de
exposición depende únicamente del área superficial del material y no tiene sentido el aumentar
estos tiempos puesto que lo único que generaría seria aumentar el costo del proceso, por otro
lado, la distancia de ataque no presenta grandes variaciones por el tamaño del reservorio en
donde el proceso de granallado se lleva acabo. Por esto, nuestros parámetros de control se
reducen a la presión con la que se impacta la granalla y el diámetro de esta.
En la industria, la presión con la que trabajan las máquinas de granallado varían entre 70 y150 psi,
por lo que se decidió escoger 3 niveles en los que se variaran las presiones para el proyecto, se
seleccionó una presión baja de 80 psi, otra intermedia de 100 psi y una máxima de 120 psi. Por
otro lado, se encontró que los diámetros de granalla más usados en la industria están entre los 0.6
y 2 mm por lo que se seleccionaron diámetros de 0.6, 1.18 y 2 mm para realizar el análisis en el
proyecto.
Tabla 4. Parámetros y niveles de control seleccionados para el proyecto.
3.1.2. MÉTODO DE TAGUCHI
Una vez obtenido los parámetros y niveles a utilizar en el proyecto, ver tabla 4, se procedió a usar
el método Taguchi para determinar cuál de todas las combinaciones posibles nos generaba los
mejores resultados.
20
A continuación se presentan los resultados obtenidos por medio del método Taguchi, e
implementando el software Minitab.
Tabla 5. Resultados obtenidos por el método de Taguchi.
En la tabla 5, se puede evidenciar las siguientes señales: Presión y diámetro como señales de
entrada; Ka*Kt como señal de resultado, en donde Ka fue obtenido por medio del método de
Shigley, ver sección 2.1.1 y el Kt fue obtenido por el modelo de Hertz, ver sección 2.1.4; S/N Ratio
como señal de salida la cual muestra la relación que existe entre la señal de salida y el ruido
(factores no controlables). En esta última señal S se refiere al cambio en la señal de resultado bajo
la combinación de unos parámetros de entrada y R se refiere al efecto de factores externos en la
salida de la señal de resultado. Es por esto que entre mayor sea la relación de S/N, mejor será el
resultado del experimento [7].
Con base en el resultado de Taguchi y al interés de determinar cómo nuestros parámetros de
control afectan el comportamiento a fatiga de los materiales se llegó al siguiente diseño de
nuestro experimento:
Para determinar la influencia del diámetro, se tomaran 60 probetas divididas en igual cantidad en
la siguiente forma:
20 con un tratamiento de: 100Psi y S110
20 con un tratamiento de: 100Psi y S280
20 con un tratamiento de: 100Psi y S460
Para la influencia de la presión se tomaran 60 probetas divididas de la siguiente forma:
20 con un tratamiento de: 80Psi y S110
20 con un tratamiento de: 100Psi y S110
20 con un tratamiento de: 120Psi y S110
21
3.2. ETAPA EXPERIMENTAL
3.2.1. CARACTERIZACIÓN DEL ACERO SAE 8620 POR PRUEBAS DE TENSIÓN
En la tabla 6, se muestran los datos obtenidos por medio del ensayo a tensión de resistencia a la
tensión y resistencia ultima del material. La construcción de las curvas de Esfuerzo-Deformación
para cada probeta fallada se encuentra en el anexo 9.
Tabla 6. Propiedades importantes en el comportamiento a fatiga, obtenidas por medio del ensayo a tensión.
3.2.2. ELABORACIÓN DE LAS PRUEBAS DE FATIGA
3.2.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS DE FATIGA Y RANGOS DE
CONFIABILIDAD
Se realizaron los ensayos para los diferentes tratamientos superficiales y para el material base. En
este ensayo se fallaron 20 probetas por cada análisis de tratamiento superficial y se variaron las
pesas para ejercer diferentes esfuerzos flectores sobre el material y poder obtener una variedad
de puntos para la construcción de las curvas de fatiga. Los datos de las pruebas se encuentran en
los anexos 10-15.
Para corroborar si el método de mínimos cuadrados es un método adecuado para la construcción
de las curvas de fatiga se realizó una comparación entre el método de Shigley, ver sección 2.1.1 y
el método de mínimos cuadrados (MMC), ver sección 2.2.2.1 cuyo resultado se observa en las
tablas 7 y 8. Esta comparación se desarrolló con los datos obtenidos de la prueba de fatiga para las
probetas del MATERIAL BASE.
Tabla 7. Datos obtenidos por el método de Shigley. MATERIAL BASE
Método Shigley
f 0,9
Sut [Mpa] 543
S´e [Mpa] 271,5
Ka 0,9
Kb 1,07
Kc 1
Se [Mpa] 246,95
a [Mpa] 967,10
b -0,087
22
Por medio de los datos obtenidos en el método de Shigley se pudo construir la siguiente ecuación,
la cual define el comportamiento de la curva de fatiga, ver gráfica 1:
( ) ( )
Tabla 8. Datos obtenidos por el método de mínimos cuadrados. MATERIAL BASE
Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la
siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para un tratamiento sin
granallado, ver gráfica 1:
( ) ( )
Grafica 1. Construcción de la gráfica de fatiga. MATERIAL BASE.
Por medio de la gráfica 1, se puede evidenciar que efectivamente el método de mínimos
cuadrados es una buena aproximación del comportamiento a fatiga descrito por el método de
Shigley, puesto que entre estos dos, no se presentaron diferencias mayores al 5%, lo cual es una
aproximación que se considerara aceptable.
MMC
A 32,169
B -10,625
b -0,094
S´f [Mpa] 1065,745
s (Desv.Est) 0,344
23
Las líneas de confiabilidad (ASTM E739+, ASTM E739-) mostradas en la gráfica 1, fueron
construidas por medio de la norma descrita en la sección 2.2.2.3. Estas líneas nos están mostrando
que la construcción de la curva de fatiga por medio del método de mínimos cuadrados nos toma el
95% de los datos lo cual nos asegura que la curva es una buena aproximación al comportamiento a
fatiga mostrado por los datos.
Por lo anterior, se prosiguió a usar el método de mínimos cuadrados para la construcción de las
curvas a fatiga de los experimentos restantes. Los resultados de estos se muestran a continuación
(Los datos obtenidos por el método de mínimos cuadrados y los datos que describen las curvas de
confiabilidad de los tratamientos superficiales se encuentran en los anexos 10-15):
Grafica 2. Construcción de la gráfica de fatiga. S460- 100Psi.
Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la
siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para el tratamiento
S460-100Psi, ver gráfica 2:
( ) ( )
24
Grafica 3. Construcción de la gráfica de fatiga. S280- 100Psi.
Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la
siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para el tratamiento
S280-100Psi, ver gráfica 3:
( ) ( )
Grafica 4. Construcción de la gráfica de fatiga. S110- 100Psi.
Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la
siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para el tratamiento
S110-100Psi, ver gráfica 4:
( ) ( )
25
Grafica 5. Construcción de la gráfica de fatiga. S110 - 120Psi.
Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la
siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para el tratamiento
S110-120Psi, ver gráfica 5:
( ) ( )
Grafica 6. Construcción de la gráfica de fatiga. S110- 80Psi.
Por medio de los datos obtenidos en el método de mínimos cuadrados se pudo construir la
siguiente ecuación, la cual define el comportamiento de la curva de fatiga para el tratamiento
S110-80Psi, ver gráfica 6:
( ) ( )
26
3.2.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROBETAS SIN Y CON LOS DIFERENTES ACABADOS
SUPERFICIALES
3.2.3.1. PRUEBA DE RUGOSIDAD
Por medio de esta prueba se pudo observar que la rugosidad es un parámetro que depende del
diámetro de la granalla y no tanto de la presión con la que la granalla se esté impactando. En la
gráfica 7, este efecto se puede evidenciar de una manera más clara. (Para ver los datos obtenidos
dirigirse al anexo 16).
Grafica 7. Datos obtenidos por medio de la prueba de rugosidad.
3.2.3.2. PRUEBA DE DUREZA SUPERFICIAL
Por medio de esta prueba se pudo observar que la dureza es un parámetro que depende de la
presión con la que la granalla se esté impactando y no tanto del diámetro de la granalla usado. Sin
embargo el aumento en la presión de granalla no aumenta drásticamente el valor de la dureza
superficial. En la gráfica 8, este efecto se puede evidenciar de una manera más clara. (Para ver los
datos obtenidos dirigirse al anexo 16).
Grafica 8. Datos obtenidos por medio de la prueba de dureza superficial.
0
20
40
60
80
100
120
Sintratamiento
S110 - 80 Psi S110 - 100 Psi S110 - 120 Psi S280 - 100 Psi S460 - 100 Psi
Du
reza
Ro
ckw
ell
B
Pruebas de dureza superficial sobre las muestras
27
3.2.3.3. PRUEBA DE METALOGRAFÍA
Los datos y graficas que se obtuvieron de este ensayo se encuentran en el anexo 17. Las gráficas 9
y 10, nos muestran las mediciones del área de los granos a diferentes profundidades de las
muestras. Por medio de estas graficas se puede ver que el proceso de granallado genera una
reducción en el área de los granos, pero se evidencia que con el cambio del diámetro de la granalla
el área de los granos no presenta grandes modificaciones, sin embargo, se puede evidenciar que
con el cambio de presión de impacto de la granalla, si se presenta un gran cambio en el área de los
granos además que este cambio perdura a mayores profundidades en el material a medida que la
presión aumenta.
Grafica 9. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE DIAMETRO DE GRANALLA.
Grafica 10. Datos obtenidos por medio del ensayo de metalografía, CAMBIOS DE PRESION.
0
100
200
300
400
500
600
S460 - 100 Psi S280 - 100 Psi S110 - 100 Psi Sin tratamientosuperficial
Are
a d
e lo
s gr
ano
s (μ
m^2
)
Medicion del area de los granos, a diferentes profundidades de las muestras
Borde
A 0.5 mmdel bordeCentro
0
100
200
300
400
500
600
S110 - 100 Psi S110 - 80 Psi S110 - 120 Psi Sin tratamientosuperficial
Are
a d
e lo
s gr
ano
s (μ
m^2
)
Medicion del area de los granos, a diferentes profundidades de las muestras
Borde
A 0.5 mm delbordeCentro
28
CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. COMPARACION DE LAS CURVAS DE FATIGA
4.1.1. INFLUENCIA DEL DIAMETRO DE GRANALLA
En la gráfica 11, se hace la comparación de las curvas a fatiga obtenidas para los procesos a los
que se les vario únicamente el diámetro de la granalla. Por medio de esta grafica se pudo
evidenciar que el proceso de granallado aumenta la vida a fatiga de los metales, pero que el
diámetro de la granalla no tiene gran influencia sobre dicho comportamiento.
Grafica 11. Comparación de curvas de fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA.
La grafica 12 muestra el aumento de la vida a fatiga a diferentes ciclos (respecto al
comportamiento obtenido por el material base), alcanzado por medio de los procesos en donde se
varió únicamente el diámetro de la granalla. En esta grafica se puede evidenciar que el aumento
máximo que se pudo obtener por medio de estos procesos fueron del 6.3%, además, se puede ver
que todos los procesos estuvieron cerca del mismo rango en el aumento a fatiga con lo cual se
muestra que los cambios de diámetro de granalla no generan grandes cambios en el
comportamiento a fatiga del material.
250
300
350
400
450
500
550
1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06
Sa [
MP
a]
Numero de ciclos
Ensayo Fatiga (Cambio en el diametro granalla)
Singranalla
S460 - 100Psi
S280 - 100Psi
S110 - 100Psi
29
Grafica 12. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA.
4.1.2. INFLUENCIA DE LA PRESION
En la gráfica 13, se hace la comparación de las curvas a fatiga obtenidas para los procesos a los
que se les vario únicamente la presión con la que se impacta la granalla. Por medio de esta grafica
también se evidencio que el proceso de granallado aumenta la vida a fatiga de los metales,
además se observa la presión tiene una gran influencia sobre dicho comportamiento.
Grafica 13. Comparación curvas de fatiga. CAMBIO DE PRESION.
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
5,E+03 1,E+04 5,E+04 1,E+05 5,E+05
Mej
ora
res
pec
to a
las
mu
estr
as
sin
tra
tam
ien
to s
up
erfi
cial
Numero de ciclos
Aumento de la vida a Fatiga (Cambio en el diametro granalla)
S460 - 100 Psi
S280 - 100 Psi
S110 - 100 Psi
250
300
350
400
450
500
550
1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06
Sa [
MP
a]
Numero de ciclos
Ensayo Fatiga (Cambio en la presion)
Singranalla
S110 -100 Psi
S110 -120 Psi
S110 -80 Psi
30
La grafica 14 muestra el aumento de la vida a fatiga a diferentes ciclos (respecto al
comportamiento obtenido por el material base), alcanzado por medio de los procesos en donde se
varió únicamente la presión de impacto. En esta grafica se puede evidenciar que el aumento
máximo que se pudo obtener por medio de estos procesos fueron del 10.1% lo cual es un alto
porcentaje, además, se puede ver que no todos los procesos estuvieron alrededor de un mismo
rango en la mejora a fatiga, por lo cual se evidencia la gran influencia de la presión en el
comportamiento a fatiga generado por el proceso de granallado.
Grafica 14. Aumento en la resistencia a la fatiga. CAMBIO DE PRESION.
Lo más importante que se observó por medio de este análisis es que la presión no solo tiene una
gran influencia sobre la vida a fatiga del material, sino que la presión presenta un punto óptimo
(en este caso de 80 Psi) en el que al aplicar presiones por encima de este punto óptimo, la vida a
fatiga del material ya no aumenta sino que empieza a disminuir. Por este análisis es que fue de
gran importancia el generar una caracterización del proceso de granallado y lograr entender a qué
se debe este comportamiento.
4.1.3. INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD Y LA DUREZA SUPERFICIAL
Las gráficas 15 y 16 son las mismas graficas 13 y 14 en donde se hace la comparación de las curvas
a fatiga obtenidas para los diferentes procesos, pero con la única diferencia en que en estas se le
agregaron los parámetros de rugosidad y dureza para poder observar fácilmente la influencia de
estos parámetros sobre el comportamiento a fatiga generado por el granallado.
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
5,E+03 1,E+04 5,E+04 1,E+05 5,E+05Mej
ora
res
pec
to a
las
mu
estr
as
sin
tra
tam
ien
to s
up
erfi
cial
Numero de ciclos
Aumento de la vida a fatiga (Cambio en la presion de granalla)
S110 - 100 Psi
S110 - 120 Psi
S110 - 80 Psi
31
Grafica 15. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO DE DIAMETRO DE GRANALLA.
Ya que la rugosidad de las probetas depende del diámetro de granalla usado, se realizó el análisis
de este parámetro sobre la gráfica del comportamiento a fatiga del material en los procesos con
cambio de diámetro de granalla, grafica 15. En esta se pudo evidenciar que la rugosidad no
presenta gran influencia sobre el comportamiento a fatiga generado por el proceso de granallado,
lo cual quiere decir que no al generar mayores rugosidades sobre el material este fallara más
rápido que uno con una rugosidad menor.
250
300
350
400
450
500
550
1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06
Sa [
MP
a]
Numero de ciclos
Ensayo Fatiga (Cambio en el diametro granalla)
Sin granalla;Ra (0,6 m) ; 81Rockwell B
S460 - 100 Psi;Ra (8,5m); 83Rockwell B
S280 - 100 Psi;Ra (7,4 m); 86Rockwell B
S110 - 100 Psi;Ra (5,2 m); 98Rockwell B
32
Grafica 16. Comparación curvas de fatiga con influencia de la rugosidad y dureza superficial. CAMBIO DE PRESION.
Por otro lado, ya que la dureza superficial de las probetas depende del diámetro de la presión de
impacto usada, se realizó el análisis de este parámetro sobre la gráfica del comportamiento a
fatiga del material en los procesos con cambio de presión, grafica 16. En esta se pudo evidenciar
que la dureza no presenta gran influencia sobre el comportamiento a fatiga generado por el
proceso de granallado, lo cual quiere decir que no necesariamente al generar menores durezas
superficiales sobre el material este fallara más rápido que uno con una dureza mayor.
4.1.4. INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA INTERNA
En esta parte del análisis se busca comprender que efecto tiene el proceso de granallado sobre el
comportamiento a fatiga de los materiales. Por medio de los resultados obtenidos por la prueba
de metalografía (anexo 17), se puedo evidenciar los siguientes hechos:
La reducción en el área de los granos es mayor en los granos que presentan la fase de
ferrita que los de perlita.
La reducción en el área de los granos para los procesos en donde se modificó únicamente
el diámetro de la granalla no presentan grandes diferencias entre ellos.
La reducción en el área de los granos para los procesos en donde se modificó únicamente
la presión con la que se impacta la granalla presentan grandes diferencias.
La profundidad de reducción en el área de los granos para los procesos en donde se
modificó únicamente el diámetro de la granalla no son altas.
250
300
350
400
450
500
550
1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06
Sa [
MP
a]
Numero de ciclos
Ensayo Fatiga (Cambio en la presion)
Sin granalla;Ra (0,6 m); 81Rockwell B
S110 - 100Psi; Ra (5,2m); 98Rockwell B
S110 - 120Psi; Ra (6,1m); 103Rockwell B
S110 - 80 Psi;Ra (4,8 m); 95Rockwell B
33
La profundidad de reducción en el área de los granos para los procesos en donde se
modificó únicamente la presión con la que se impacta la granalla varían mucho entre ellas
(ver ilustración 11). Para presiones de 80 Psi, la reducción del área se presenta únicamente
en la superficie del material, sin embargo, para presiones de 100 Psi la profundidad de la
reducción del área esta alrededor de 1 mm, y para presiones de 120 Psi la profundidad de
la reducción del área esta alrededor de 2 mm, lo cual es el radio la distancia entre la
superficie y el centro de la probeta.
Ilustración 11. Metalografía x100, Arriba a la izquierda (S110-80PSI); Arriba a la derecha (S110-120Psi); Abajo a la izquierda (S280-100Psi)
Por medio de estos analices fue posible de intuir que a bajas presiones el proceso de granallado
genera una compactación de los granos lo cual produce un endurecimiento superficial (con una
matriz tenaz) y esto no permite que los esfuerzos aplicados sobre las probetas generen una
propagación de las dislocaciones y grietas del material lo cual genera un aumento en la vida a
fatiga del material.
Sin embargo, si se aumenta la presión con la que se impacta la granalla y esta genera que la
reducción en el área de los granos se encuentra a grandes profundidades del material (aumento
de su dureza y disminución de su área tenaz), el material se comportara de una forma más frágil y
su vida a fatiga tendera a disminuir. Esto explica que las condiciones en las cuales se obtendrá la
mejor resistencia a la fractura, en nuestro experimento, sea a condiciones de baja presión (80 Psi),
además también muestra que la rugosidad y el diámetro de granalla no presentan gran
importancia en los resultados.
34
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES
El modelo de Hertz nos suministró un modelo que nos genera una buena predicción del
factor modificados para procesos de granallado, sin embargo, el modelo está bajo muchas
suposiciones lo cual no lo hace replicable para ser usados en otro tipo de procesos o con el
uso de diferentes geometrías de la granalla.
El cambio de diámetro de granalla no es un parámetro que tenga gran influencia sobre el
comportamiento a fatiga del material. El diámetro únicamente nos genera una mayor o
menor rugosidad en la superficie del material.
El cambio en la presión con la que se impacta las esferas de granalla es un parámetro que
presenta una gran influencia sobre el comportamiento a fatiga del material. Además el
cambio en la presión de la granalla presenta un punto óptimo para generar un aumento
en la vida a la fatiga, en donde a mayores presiones sobre este punto óptimo la vida a
fatiga del material disminuirá.
El aumento máximo en la vida a fatiga del material que se pudo obtener por medio de los
procesos en los que se cambiaron el diámetro de granalla fue del 6.3%, sin embargo el
aumento máximo que se obtuvo por el cambio en la presión fue del 10.2%.
A pesar que la rugosidad y la dureza superficial son factores que pueden modificar la vida
a fatiga de los materiales, estos no son parámetros que influencian el comportamiento
que genera el granallado sobre la resistencia a fatiga. Los parámetros que lo rigen, es la
profundidad de la reducción del área de los granos y la dureza del material.
A bajas presiones el proceso de granallado genera una compactación de los granos lo cual
produce un endurecimiento superficial (con una matriz tenaz) y esto no permite que los
esfuerzos aplicados sobre las probetas generen una propagación de las dislocaciones y
grietas del material lo cual genera un aumento en la vida a fatiga del material. Sin
embargo, si se aumenta la presión con la que se impacta la granalla y esta genera que la
reducción en el área de los granos se encuentra a grandes profundidades del material
(aumento de su dureza y disminución de su área tenaz), el material se comportara de una
forma más frágil y su vida a fatiga tendera a disminuir.
35
CAPÍTULO 6. RECOMENDACIONES
Es muy importante realizar una revisión previa de la máquina de fatiga y de sus
componentes en especial de las mordazas puesto que estas no pueden permitir que la
probeta se llegue a deslizar ya que esto modificaría bastante los resultados, además es
muy importante que las dimensiones de las probetas sean muy exactas, puesto que la
respuesta del ensayo de fatiga es muy sensible a los cambios en la experimentación.
Es de gran importancia que se realicen ensayos previos en la máquina de fatiga, esto con
el fin de familiarizarse con la máquina y de poder solucionar problemas que se presenten
con los componentes de esta.
Para obtener un acabado superficial más homogéneo por medio del proceso de
granallado, se puede usar una máquina de turbina, esta homogeneidad podría mejorar los
resultados en la experimentación y aseguraría que toda la superficie de la probeta fuese
expuesta por el mismo periodo de tiempo.
Al momento de manufacturar las probetas es muy importante que el material base de
estas haya sido adquirido de la misma empresa y del mismo lote, esto con el fin de
asegurar la calidad del material y de sus propiedades.
Si se desea realizar pruebas en donde se le aplique una carga mayor a los 30 N, es
recomendable el uso de una maquina más robusta , puesto que es posible que la potencia
pico que se requiera del motor sea muy alta y esto genere vibraciones de la probeta o que
no gire el motor.
Para obtener resultados más confiables se podría aumentar el número de probetas a fallar
puesto que a pesar de que 20 probetas generan buenos resultados con un número mayor
de probetas la curva de fatiga puede acoplarse mejor a los datos reales y de esta forma
obtener mejores análisis sobre el experimento ya que las curvas proporcionan los análisis
más importantes.
Para poder obtener una mejor conclusión respecto al efecto de la presión sobre el
comportamiento a fatiga de los materiales es deseable tener una mayor variedad de
experimento modificando la presión aplicada, esto para construir un rango de presiones
óptimas.
36
BIBLIOGRAFÍA:
[1] Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. 2011, novena
edición. McGRAW – HILL/ INTERAMERICANA EDITORES.
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precision mechanics, warsaw, Poland. Rescatado el 24 de Febrero del 2014 de la página web:
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Luis Mario Mateus Sandoval. Bogotá: Universidad de los andes, 2013.
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37
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[17] ASTM E1382 - 97. Standard Test Methods for Determining Average Grain Size Using
Semiautomatic and Automatic Image Analysis.
38
ANEXOS:
Anexo 1. Especificaciones y tipo de granalla. Cortesía de Blasting Experts.
39
40
Anexo 2. Máquina de turbina. Cortesía de Blasting Experts.
41
Anexo 3. Máquina de chorro manual. Cortesía de Blasting Experts.
42
Anexo 4. Plano de la probeta usada en el ensayo de tensión.
43
Anexo 5. Código de fabricación de la probeta usada en el ensayo de tensión por medio del
torno CNC.
44
Anexo 6. Plano de la probeta usada en el ensayo de fatiga.
45
Anexo 7. Código de fabricación de la probeta usada en el ensayo de fatiga por medio del torno
CNC.
46
Anexo 8. Construcción de las curvas S-N y líneas de confiabilidad. Norma ASTM E739-10
47
48
49
Anexo 9. Construcción de la gráfica Esfuerzo-Deformación. Prueba de tensión.
50
Anexo 10. Datos obtenidos de los ensayos de fatiga MATERIAL BASE.
Datos Material Base Método Shigley
Tratamiento Probeta # Esfuerzo [MPa] F [N] Contador Ciclos Sa(Mpa)
- 1 457,57 23 37 3700 473,192
- 2 447,62 22,5 69 6900 448,220
- 3 417,78 21 163 16300 415,921
- 4 417,78 21 229 22900 403,799
- 5 397,89 20 470 47000 379,314
- 6 397,89 20 596 59600 371,557
- 7 377,99 19 761 76100 363,740
- 8 377,99 19 862 86200 359,817
- 9 358,10 18 1441 144100 344,086
- 10 338,20 17 1470 147000 343,491
- 11 318,31 16 1684 168400 339,453
- 12 358,10 18 1840 184000 336,847
- 13 358,10 18 2158 215800 332,207
- 14 338,20 17 2171 217100 332,034
- 15 338,20 17 2271 227100 330,735
- 16 318,31 16 2354 235400 329,704
- 17 318,31 16 2931 293100 323,475
- 18 318,31 16 3170 317000 321,277
- 19 308,36 15,5 5401 540100 306,723
- 20 308,36 15,5 6049 604900 303,714
MMC
A 32,169
B -10,625
b -0,094
S´f [Mpa] 1065,745
s 0,344
Valores linea de confiabilidad 95% Sin granallado
Sa [Mpa] Ciclos + Ciclos -
457,57 10450,09 1310,04
447,62 18072,09 2634,45
417,78 40516,45 9212,80
397,89 97063,31 28859,51
377,99 134299,79 48844,60
358,10 287123,08 111417,67
338,20 330636,33 113269,32
318,31 486074,85 124855,78
308,36 1238537,56 263784,08
Valores de Kastm en los 9 niveles de esfuerzo Sin granallado
Fp 3,55
Kastm1 1,310 Y1 + 4,019
Y1 3,568 Y1 - 3,117
Kastm2 1,214 Y2 + 4,257
Y2 3,839 Y2 - 3,421
Kastm3 0,934 Y3 + 4,608
Y3 4,286 Y3 - 3,964
Kastm4 0,765 Y4 + 4,987
Y4 4,724 Y4 - 4,460
Kastm5 0,638 Y5 + 5,128
Y5 4,908 Y5 - 4,689
Kastm6 0,597 Y6 + 5,458
Y6 5,253 Y6 - 5,047
Kastm7 0,676 Y7 + 5,519
Y7 5,287 Y7 - 5,054
Kastm8 0,857 Y8 + 5,687
Y8 5,392 Y8 - 5,096
Kastm9 0,975 Y9 + 6,093
Y9 5,757 Y9 - 5,421
51
Anexo 11. Datos obtenidos de los ensayos de fatiga S460-100PSI.
Tratamiento Probeta # Esfuerzo [MPa] F [N] Contador Ciclos
S460 - 100 Psi 1 497,36 25 45 4500
S460 - 100 Psi 2 457,57 23 77 7700
S460 - 100 Psi 3 457,57 23 120 12000
S460 - 100 Psi 4 457,57 23 128 12800
S460 - 100 Psi 5 397,89 20 221 22100
S460 - 100 Psi 6 397,89 20 235 23500
S460 - 100 Psi 7 427,73 21,5 248 24800
S460 - 100 Psi 8 427,73 21,5 291 29100
S460 - 100 Psi 9 397,89 20 439 43900
S460 - 100 Psi 10 397,89 20 471 47100
S460 - 100 Psi 11 368,05 18,5 627 62700
S460 - 100 Psi 12 397,89 20 662 66200
S460 - 100 Psi 13 368,05 18,5 742 74200
S460 - 100 Psi 14 397,89 20 893 89300
S460 - 100 Psi 15 358,10 18 1146 114600
S460 - 100 Psi 16 368,05 18,5 1607 160700
S460 - 100 Psi 17 368,05 18,5 2377 237700
S460 - 100 Psi 18 338,20 17 3841 384100
S460 - 100 Psi 19 358,10 18 4017 401700
S460 - 100 Psi 20 338,20 17 6896 689600
MMC
A 35,715
B -11,922
b -0,084
S´f [Mpa] 990,171
s (Desv.Est) 0,335
Valores línea de confiabilidad 95% S460 - 100 Psi
Sa [Mpa] Ciclos + Ciclos -
497,36 13494,14 1500,65
457,57 23065,29 4848,74
427,73 47389,61 15228,65
397,89 68194,95 27151,85
368,05 203459,75 65520,88
358,10 408736,57 112627,11
338,20 1192585,93 222101,70
Valores de Kastm en los 7 niveles de esfuerzo S460 - 100 Psi
Fp 3,55
Kastm1 1,422 Y1 + 4,130
Y1 3,653 Y1 - 3,176
Kastm2 1,009 Y2 + 4,363
Y2 4,024 Y2 - 3,686
Kastm3 0,735 Y3 + 4,676
Y3 4,429 Y3 - 4,183
Kastm4 0,596 Y4 + 4,834
Y4 4,634 Y4 - 4,434
Kastm5 0,733 Y5 + 5,308
Y5 5,062 Y5 - 4,816
Kastm6 0,834 Y6 + 5,611
Y6 5,332 Y6 - 5,052
Kastm7 1,088 Y7 + 6,076
Y7 5,712 Y7 - 5,347
52
Anexo 12. Datos obtenidos de los ensayos de fatiga S280-100PSI.
Tratamiento Probeta # Esfuerzo [MPa] F [N] Contador Ciclos
S280 - Psi 100 1 497,36 25 39 3900
S280 - Psi 100 2 497,36 25 46 4600
S280 - Psi 100 3 497,36 25 58 5800
S280 - Psi 100 4 457,57 23 71 7100
S280 - Psi 100 5 457,57 23 85 8500
S280 - Psi 100 6 457,57 23 97 9700
S280 - Psi 100 7 417,78 21 208 20800
S280 - Psi 100 8 417,78 21 381 38100
S280 - Psi 100 9 417,78 21 567 56700
S280 - Psi 100 10 417,78 21 641 64100
S280 - Psi 100 11 397,89 20 690 69000
S280 - Psi 100 12 377,99 19 790 79000
S280 - Psi 100 13 397,89 20 848 84800
S280 - Psi 100 14 377,99 19 906 90600
S280 - Psi 100 15 377,99 19 1049 104900
S280 - Psi 100 16 377,99 19 1088 108800
S280 - Psi 100 17 338,20 17 1436 143600
S280 - Psi 100 18 377,99 19 2332 233200
S280 - Psi 100 19 338,20 17 3830 383000
S280 - Psi 100 20 338,20 17 4377 437700
MMC
A 34,296
B -11,358
b -0,088
S´f [Mpa] 1045,765
s 0,390
Valores linea de confiabilidad 95% S280 - 100 Psi
Sa [Mpa] Ciclos + Ciclos -
497,36 13000,49 1701,66
457,57 17366,72 4029,47
417,78 70974,12 23911,93
397,89 132379,74 44200,12
377,99 215073,77 60168,31
338,20 778582,25 107081,72
Valores de Kastm en los 6 niveles de esfuerzo
S280 - 100 Psi
Fp 3,55
Kastm1 1,131 Y1 + 4,114
Y1 3,672 Y1 - 3,231
Kastm2 0,813 Y2 + 4,240
Y2 3,922 Y2 - 3,605
Kastm3 0,605 Y3 + 4,851
Y3 4,615 Y3 - 4,379
Kastm4 0,610 Y4 + 5,122
Y4 4,884 Y4 - 4,645
Kastm5 0,709 Y5 + 5,333
Y5 5,056 Y5 - 4,779
Kastm6 1,104 Y6 + 5,891
Y6 5,461 Y6 - 5,030
53
Anexo 13. Datos obtenidos de los ensayos de fatiga S110-100PSI.
Tratamiento Probeta # Esfuerzo [MPa] F [N] Contador Ciclos
S110 - Psi 100 1 517,25 26 32 3200
S110 - Psi 100 2 457,57 23 65 6500
S110 - Psi 100 3 497,36 25 66 6600
S110 - Psi 100 4 497,36 25 70 7000
S110 - Psi 100 5 457,57 23 72 7200
S110 - Psi 100 6 457,57 23 96 9600
S110 - Psi 100 7 457,57 23 129 12900
S110 - Psi 100 8 417,78 21 176 17600
S110 - Psi 100 9 417,78 21 192 19200
S110 - Psi 100 10 417,78 21 205 20500
S110 - Psi 100 11 417,78 21 222 22200
S110 - Psi 100 12 417,78 21 318 31800
S110 - Psi 100 13 377,99 19 551 55100
S110 - Psi 100 14 377,99 19 636 63600
S110 - Psi 100 15 377,99 19 892 89200
S110 - Psi 100 16 377,99 19 1431 143100
S110 - Psi 100 17 338,20 17 1667 166700
S110 - Psi 100 18 338,20 17 3844 384400
S110 - Psi 100 19 338,20 17 4572 457200
S110 - Psi 100 20 338,20 17 6856 685600
MMC
A 33,748
B -11,178
b -0,089
S´f [Mpa] 1045,142
s (Desv.Est) 0,448
Valores linea de confiabilidad 95% S110 - 100 Psi
Sa [Mpa] Ciclos + Ciclos -
517,25 10902,42 939,24
497,36 19871,56 2324,93
457,57 19192,57 3966,62
417,78 40410,18 11728,66
377,99 169162,43 39536,91
338,20 1121823,86 126334,90
Valores de Kastm en los 6 niveles de esfuerzo S110 - 100 Psi
Fp 3,55
Kastm1 1,189 Y1 + 4,038
Y1 3,505 Y1 - 2,973
Kastm2 1,041 Y2 + 4,298
Y2 3,832 Y2 - 3,366
Kastm3 0,765 Y3 + 4,283
Y3 3,941 Y3 - 3,598
Kastm4 0,600 Y4 + 4,606
Y4 4,338 Y4 - 4,069
Kastm5 0,705 Y5 + 5,228
Y5 4,913 Y5 - 4,597
Kastm6 1,059 Y6 + 6,050
Y6 5,576 Y6 - 5,102
54
Anexo 14. Datos obtenidos de los ensayos de fatiga S110-120PSI.
Tratamiento Probeta # Esfuerzo [MPa] F [N] Contador Ciclos
S110 - Psi 120 1 497,36 25 42 4200
S110 - Psi 120 2 497,36 25 54 5400
S110 - Psi 120 3 497,36 25 84 8400
S110 - Psi 120 4 457,57 23 86 8600
S110 - Psi 120 5 417,78 21 106 10600
S110 - Psi 120 6 457,57 23 128 12800
S110 - Psi 120 7 417,78 21 145 14500
S110 - Psi 120 8 457,57 23 187 18700
S110 - Psi 120 9 397,89 20 333 33300
S110 - Psi 120 10 397,89 20 358 35800
S110 - Psi 120 11 377,99 19 417 41700
S110 - Psi 120 12 377,99 19 455 45500
S110 - Psi 120 13 417,78 21 545 54500
S110 - Psi 120 14 377,99 19 638 63800
S110 - Psi 120 15 417,78 21 805 80500
S110 - Psi 120 16 377,99 19 1360 136000
S110 - Psi 120 17 338,20 17 1698 169800
S110 - Psi 120 18 338,20 17 3015 301500
S110 - Psi 120 19 338,20 17 4479 447900
S110 - Psi 120 20 338,20 17 5460 546000
MMC
A 31,191
B -10,195
b -0,098
S´f [Mpa] 1146,410
s (Desv.Est) 0,375
Valores linea de confiabilidad 95% S110 - 120 Psi
Sa [Mpa] Ciclos + Ciclos -
497,36 15074,71 2196,34
457,57 25665,14 6305,07
417,78 48488,46 16935,37
397,89 58160,90 20497,28
377,99 115157,53 35233,94
338,20 825459,43 135551,28
Valores de Kastm en los 6 niveles de esfuerzo S110 - 120 Psi
Fp 3,55
Kastm1 1,116 Y1 + 4,178
Y1 3,760 Y1 - 3,342
Kastm2 0,813 Y2 + 4,409
Y2 4,105 Y2 - 3,800
Kastm3 0,609 Y3 + 4,686
Y3 4,457 Y3 - 4,229
Kastm4 0,604 Y4 + 4,765
Y4 4,538 Y4 - 4,312
Kastm5 0,686 Y5 + 5,061
Y5 4,804 Y5 - 4,547
Kastm6 1,047 Y6 + 5,917
Y6 5,524 Y6 - 5,132
55
Anexo 15. Datos obtenidos de los ensayos de fatiga S110-80PSI.
Tratamiento Probeta # Esfuerzo [MPa] F [N] Contador Ciclos
S110 - Psi 80 1 497,36 25 82 8200
S110 - Psi 80 2 457,57 23 92 9200
S110 - Psi 80 3 457,57 23 132 13200
S110 - Psi 80 4 497,36 25 149 14900
S110 - Psi 80 5 457,57 23 214 21400
S110 - Psi 80 6 417,78 21 239 23900
S110 - Psi 80 7 457,57 23 258 25800
S110 - Psi 80 8 417,78 21 264 26400
S110 - Psi 80 9 397,89 20 280 28000
S110 - Psi 80 10 397,89 20 292 29200
S110 - Psi 80 11 417,78 21 427 42700
S110 - Psi 80 12 377,99 19 797 79700
S110 - Psi 80 13 377,99 19 1107 110700
S110 - Psi 80 14 417,78 21 1376 137600
S110 - Psi 80 15 377,99 19 1750 175000
S110 - Psi 80 16 348,15 17,5 3250 325000
S110 - Psi 80 17 377,99 19 3833 383300
S110 - Psi 80 18 348,15 17,5 4040 404000
S110 - Psi 80 19 348,15 17,5 8539 853900
S110 - Psi 80 20 338,20 17 11528 1152800
MMC
A 34,943
B -11,547
b -0,087
S´f [Mpa] 1061,760
s (Desv.Est) 0,416
Valores linea de confiabilidad 95% S110 - 80 Psi
Sa [Mpa] Ciclos + Ciclos -
497,36 43010,76 2840,68
457,57 42327,13 6117,57
417,78 87960,14 21889,62
397,89 56935,27 14360,17
377,99 347117,64 70083,33
348,15 1495249,51 155501,35
338,20 4111175,05 323252,56
Valores de Kastm en los 7 niveles de esfuerzo S110 - 80 Psi
Fp 5
Kastm1 1,419 Y1 + 4,634
Y1 4,044 Y1 - 3,453
Kastm2 1,010 Y2 + 4,627
Y2 4,207 Y2 - 3,787
Kastm3 0,726 Y3 + 4,944
Y3 4,642 Y3 - 4,340
Kastm4 0,719 Y4 + 4,755
Y4 4,456 Y4 - 4,157
Kastm5 0,836 Y5 + 5,540
Y5 5,193 Y5 - 4,846
Kastm6 1,182 Y6 + 6,175
Y6 5,683 Y6 - 5,192
Kastm7 1,328 Y7 + 6,614
Y7 6,062 Y7 - 5,510
56
Anexo 16. Datos obtenidos de los ensayos de rugosidad y dureza superficial.
Pruebas de rugosidad sobre las probetas
Sin tratamiento S110 - 80Psi S110 - 100 Psi S110 - 120 Psi S280 - 100 Psi S460 - 100 Psi
Mediciones Ra (μm) Ra (μm) Ra (μm) Ra (μm) Ra (μm) Ra (μm)
1 0,476 5,285 5,397 6,159 7,836 8,297
2 0,834 5,496 5,237 6,691 7,452 8,159
3 0,564 4,493 4,641 5,574 7,389 8,345
4 0,647 4,532 5,042 6,489 7,667 9,543
5 0,793 4,937 5,962 6,245 7,490 7,822
Media 0,663 4,949 5,256 6,232 7,567 8,433
Desviación 0,151 0,446 0,485 0,423 0,182 0,653
Pruebas de dureza superficial sobre las probetas
Sin tratamiento S110 - 80 Psi S110 - 100 Psi S110 - 120 Psi S280 - 100 Psi S460 - 100 Psi
Mediciones HRT-15T HRT-15T HRT-15T HRT-15T HRT-15T HRT-15T
1 83,8 89,7 92,8 92,9 87,2 92,5
2 86,9 92,9 94,4 93,7 92,6 87,6
3 90 94 89,8 94,5 87,2 87,1
4 90,7 90,3 93,1 95,3 88,1 86,9
5 85,2 91,3 91,2 92,1 87,6 88,0
Media 87,320 91,640 92,260 93,700 88,540 88,420
Desviación 2,986 1,791 1,785 1,265 2,300 2,321
Dureza en Rockwell B 82 96 98,5 101 86 82,3
57
Anexo 17. Datos obtenidos de los ensayos de metalografía.
Sin tratamiento (Corte Transversal):
Imagen 1. Microscopia del acero 8620 sin tratamiento superficial (50x)
Imagen 2. Microscopia del acero 8620 sin tratamiento superficial; Borde Izquierdo. (200x)
Imagen 3. Microscopia del acero 8620 sin tratamiento superficial; Centro (200x)
58
Grafica 2. Distribución del tamaño del grano del acero 8620 sin tratamiento superficial; Borde Izquierdo.
Grafica 3. Distribución del tamaño del grano del acero 8620 sin tratamiento superficial; Centro.
S460 Psi 100 (Corte Transversal):
Imagen 4. Microscopia del acero 8620, S460 Psi 100;
Borde Izquierdo (50x)
Imagen 6. Microscopia del acero 8620, S460 Psi 100; Borde Izquierdo (200x)
Imagen 5. Microscopia del acero 8620, S460 Psi 100; Borde Derecho (50x)
Imagen 7. Microscopia del acero 8620, S460 Psi 100; Borde Derecho (200x)
59
Imagen 8. Microscopia del acero 8620, S460 Psi 100; Centro (200x)
Grafica 4. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S460 Psi 100; Borde Izquierdo.
Grafica 5. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S460 Psi 100; A 0.5 mm del borde Izquierdo.
Grafica 6. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S460 Psi 100; Centro.
60
S280 Psi 100 (Corte Transversal):
Imagen 9. Microscopia del acero 8620, S280 Psi 100; Borde Izquierdo (50x)
Imagen 10. Microscopia del acero 8620, S280 Psi 100; Borde Derecho (50x)
Imagen 11. Microscopia del acero 8620, S280 Psi 100; Borde Izquierdo (200x)
Imagen 12. Microscopia del acero 8620, S280 Psi 100; 0.5 mm hacia la derecha del borde izquierdo (200x)
Imagen 13. Microscopia del acero 8620, S280 Psi 100; Centro (200x)
61
Grafica 7. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S280 Psi 100; Borde Izquierdo.
Grafica 8. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S280 Psi 100; A 0.5 mm del borde Izquierdo.
Grafica 9. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S280 Psi 100; Centro.
S110 Psi 100 (Corte Transversal):
62
Imagen 14. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 100; Borde Izquierdo (50x)
Imagen 16. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 100; Borde derecho. (200x)
Imagen 15. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 100; Borde Derecho (50x)
Imagen 17. Microscopia del acero 8620 S110 Psi 100; Centro. (200x)
Grafica 10. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 100; Borde Izquierdo.
63
Grafica 11. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 100; A 0.5 mm del borde
Izquierdo.
Grafica 12. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 100; Centro.
S110 Psi 80 (Corte Transversal):
64
Imagen 18. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Borde Izquierdo (50x)
Imagen 20. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Borde derecho. (200x)
Imagen 19. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Borde derecho (50x)
Imagen 21. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Centro. (200x)
Grafica 13. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 80; Borde Derecho.
Grafica 14. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 80; A 0.5 mm del borde derecho.
65
Grafica 15. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 80; Centro.
S110 Psi 120 (Corte Transversal):
66
Imagen 22. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 120; Borde Izquierdo (50x)
Imagen 24. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Borde Izquierdo (200x)
Imagen 23. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Borde Derecho (50x)
Imagen 25. Microscopia del acero 8620, S110 Psi 80; Centro (200x)
1
Grafica 16. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 120; Borde Izquierdo.
Grafica 17. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 120; A 0,5 mm del borde
Izquierdo.
Grafica 18. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 120; A 1 mm del borde
Izquierdo.
Grafica 19. Distribución del tamaño del grano del acero 8620, S110 Psi 120; Centro.