Norma AStm E-8

7/29/2019 Norma AStm E-8

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Ensayo de traccin bajo la Norma ASTM E8A cada una de las microestructuras a estudiar se le realiz ensayo de traccin enuna mquina Universal Shimadzu AG-100kNX localizada en Instituto TecnolgicoMetropolitano, en este ensayo se obtuvieron datos como esfuerzo de fluencia,esfuerzo ltimo a tensin, esfuerzo ltimo a fractura, % de elongacin, % de

reduccin de rea y coeficiente de endurecimiento por deformacin; eninvestigaciones hechas con anterioridad [7,25,42,43] relacionan estas propiedadescon la resistencia a desgaste por rodadura y deslizamiento en aceros ferroviarios;en otros trabajos [44-46] relacionan algunas de estas propiedades en modelosque buscan describir el desgaste por fatiga y/o cambios superficiales en el materialasociados al contacto rodante-deslizante, logrando estimar que tanto puede unapropiedad influir sobre la resistencia al desgaste y/o cambios superficiales en elmaterial bajo condiciones especificas de contacto.

Las dimensiones y geometra de las probetas de traccin se pueden apreciar en lafigura 3.40.

Figura 3.40Dimensiones y geometra de probetas de ensayo de traccin.

Ensayo de Tenacidad a la fractura bajo la Norma ASTM E1820La tenaciadad a la fractura de las microestructuras a estudiar fue evaluada en ellaboratorio de Propiedades Mecnicas de la Universidad Nacional del Comahuelocalizado en la ciudad de Neuqn- Argentina. Esta propiedad se hace importantedado que permite valorar cual microestructura puede soportar tamaos de grietasmayores antes de fallar por fractura frgil; diferentes trabajos han buscadoralacionar esta propiedad en materiales de rueda y riel con el desempeo durante

su vida ltil [25, 47].


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Figura 3.41 Dimensiones y geometra de probetas de ensayo de Tenacidad a la fractura.

La figura 3.41 muestra la geometria y dimensiones de las probetas empleadas en

los ensayos de tenacidad a la fractura.

Antes de los ensayos las probetas fueron preagrietadas por fatiga en la mquinamostrada en la figura 3.42a, all se generaron grietas de longitudes permitidas ysugeridas por la norma, tomandose entre entre 130.000 y 180.000 ciclos para larespectiva fisuracin.

Luego de esto se realiz el ensayo de tenacidad a la fractura en la prensamostrada en la figura 3.42b.

Figura 3.42 a) Mquina de preagrietamiento b) Prensa de ensayos de tenacidad a la fractura

a) b)


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Ensayo de impacto Charpy bajo la Norma ASTM E23Las microestructuras a estudiar fueron sometidas a ensayos de impacto Charpy,esto con el fin de contrastar los resultados con trabajos anteriores [19, 48] en loscuales buscaban relacionar la propiedad de resistencia al impacto con el

desempeo a desgaste y modo de propagacin de las grietas en los materiales.

Las dimensiones y geometra de las probetas de ensayo Charpy se puedenapreciar en la figura 3.43.

Figura 3.43 Dimensiones y geometra de probetas de ensayo Charpy.

3.4 ENSAYOS DE DESGASTE EN EL TRIBMETRO DISCO-DISCO

La mquina de pruebas disco sobre disco es un dispositivo donde dos discos son

puestos a rodar uno contra otro mediante la aplicacin de una carga determinada.La Figura 3.44 muestra un las probetas en contacto de un ensayo en una mquinadisco sobre disco.

Carga

Probetarueda

Probetariel

Lubricante


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Figura 3.44 Probetas en contacto en ensayos Disco sobre Disco [49].

Usualmente uno de los discos presenta una velocidad de rotacin mayor que el

otro, con el propsito de promover un porcentaje de deslizamiento en el contacto

rodante como frecuentemente pasa en las aplicaciones reales.

El porcentaje de deslizamiento se define ajustando la velocidad de cada eje y estdado por la ecuacin (2.1).

WWRR

WWRR

NRNR

NRNRD

+

=

)(200(%)

ecuacin 2.1 (2.1)

Donde RR y RW son los radios de las probetas de los materiales que simulan el riely la rueda respectivamente, NR y NW son las revoluciones (rpm) a las que giranambas probetas. Un porcentaje de deslizamiento negativo significa que la probetaque simula el material de la rueda est ejerciendo una fuerza de traccin sobre la

probeta que simula el material del riel.

Para evaluar la resistencia al desgaste se utiliz el tribmetro Disco sobre Discoque se muestra esquemticamente en la figura 3.45, este dispositivo se encuentraen el laboratorio de Tribologa y Superficies de la Universidad Nacional sedeMedelln (ver figura 3.46); all se probaron las probetas bajo condiciones deesfuerzo, % de deslizamiento, lubricacin, acabado superficial, velocidad linealque son representativas y de inters para los sistemas ferroviarios.

Figura 3.45Esquema de la mquina de ensayos Disco sobre Disco


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Figura 3.46Mquina de ensayos Disco sobre Disco instalada en el laboratorio de tribologa ysuperficies de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medelln.

Con el fin de obtener datos en lnea durante el ensayo que puedan suministrarinformacin de la variacin en las condiciones de contacto, la mquina disco sobredisco fue dotada de un transductor de torque cuya funcin es medir las variacionesen el par que ejerce el motor causado por el contacto entre las probetas y elporcentaje de deslizamiento entre ellas, el hecho de medir estas variaciones fuetil para poder calcular con mayor precisin los coeficientes de friccin que sepresentaron entre las probetas durante los ensayos.

3.5 DISEO EXPERIMENTAL

Se evaluaron en la mquina disco sobre disco dos materiales, con dosmicroestructuras diferentes cada uno bajo dos porcentajes de deslizamiento. Paraello se plante realizar un diseo de experimentos factorial 23, los nivelesasociados a los factores se presentan a continuacin:

MATERIALES: Se estudiaron los aceros R-260 y 370LHT, estos son empleadosen la industria ferroviaria para la fabricacin de rieles [39]. En todos los casos, elcontracuerpo fue el material de fabricacin de la rueda P-2079 R8T suministradapor el Metro de Medelln.

MICROESTRUCTURAS: Cada acero fue tratado trmicamente para obtener

microestructuras bainticas y perlticas.

% DESLIZAMIENTO: Los ensayos fueron hechos en condiciones de rodadurapura y rodadura-deslizamiento buscando evaluar la resistencia a desgaste porfatiga con rodadura pura y con deslizamiento.


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El porcentaje de deslizamiento para los ensayos rodante-deslizantes fue del -2%establecido con base en trabajos experimentales y simulaciones de laboratorio ascomo en mediciones realizadas en campo [31-33, 50].

FACTORES FIJOS

La presin de contacto durante los ensayos fue mantenida constante y se defini apartir de la informacin disponible en la literatura acerca de valores de presincrticos que se presentan en sistemas ferroviarios urbanos [51-53]. Lacombinacin de velocidad de deslizamiento y presin de contacto ubica losmateriales en regmenes de transicin y desgaste [54], en los ensayos se buscabasometer a los materiales a un rgimen de desgaste severo; lo que ayud a tenerun punto de apoyo en la seleccin de estas dos variables.

El acabado superficial inicial de cada probeta es importante en el desempeo adesgaste de los materiales [31,55-58] por ello en estos experimentos se tuvo encuenta y se generaron valores similares a los presentados en campo delparmetro de rugosidad Ra que poseen las ruedas y rieles al entrar enfuncionamiento despus de ser reperfiladas. Para obtener estos valores delparmetro de rugosidad se hicieron visitas a las instalaciones del Metro deMedelln para hacer la caracterizacin y mediciones de las mismas.

Las condiciones ambientales de temperatura y humedad se mantuvieronconstantes dentro del laboratorio con el fin de evitar efectos en los resultadosasociados a la variabilidad de estas condiciones. Durante los ensayos se registrla temperatura ambiente, humedad y presin atmosfrica usando un equipoSpeedtech.

En ensayos disco-disco la dependencia de la tasa de prdida de masa sobre elnmero de ciclos est descrita por cuatro estados: desgaste de pelculassuperficiales, periodo de running-in, tasa de desgaste mnima y tasa de desgastecuasi-estable, esta ltima puede tardar ms de 100.000 ciclos [59], adicionalmentecuando a fallas de fatiga en el material se refieren se ha encontrado en ensayosde laboratorio que las primeras fallas se dan aproximadamente a los 30.000 ciclos[60]; tambin se encontr en simulaciones de contacto en seco a escala real quela tasa de desgaste se comienza a estabilizar a los 100.000 ciclos [61], adems deesto se encontr en trabajos que buscaban comparar diferentes microestructurasbajo condiciones de contacto similares a las presentadas en este trabajo que losensayos de desgaste estaban en su mayora hasta menos de 100.000 ciclos,aunque se realizaron ensayos hasta 500.000 ciclos [50].

Por lo anterior buscando llevar los materiales hasta una tasa de desgaste cuasi-estable y generar grietas asociadas a la fatiga, los ensayos fueron llevados hasta200.000 ciclos, con mediciones intermedias cada 50.000 ciclos con el fin deobtener la curva de prdida de masa acumulada y cambio superficial del materialen el tiempo; aunque esto no tenga influencia directa sobre los resultados es de


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importancia conocer el comportamiento del material en el tiempo para haceranlisis y comparaciones entre la evolucin del desgaste en cada microestructura.

Ensayos de laboratorio realizados por diversos investigadores [62, 63] mostraronque la velocidad de rotacin no tiene un impacto significativo sobre las tasas de

desgate bajo las mismas condiciones de contacto; igualmente se ha mostrado queun incremento en la frecuencia de ensayo no superior a 5 veces no afectasignificativamente el desempeo a fatiga de los materiales [64], segn lo anteriorlos ensayos sern corridos a 1000RPM buscando no generar altas vibraciones enla mquina disco sobre disco y recalentamientos asociados a los motoreselctricos de la misma.

Todos los ensayos fueron realizados bajo condicin de lubricacin seca, dado queno es objeto de este estudio analizar el desempeo a desgaste en condicioneslubricadas.

VARIABLES DE SALIDA

Prdida de masaUna medida del desgaste en las probetas durante los ensayos disco sobre discoes la prdida de masa [7, 50, 59] la cual fue evaluada utilizando una balanzaelectrnica SARTORIUS con poder de resolucin de 0.01 mg.

Acabado superficialEl cambio del acabado superficial es una variable importante sobre la respuestadel material a condiciones especficas de contacto [31,65], por lo tanto larugosidad de las superficies fue medida antes y despus de cada ensayo usandola estacin semi-automtica Mitutoyo SV-3000 ubicada en el Laboratorio deTribologa y Superficies.

Cambios microestructuralesLa determinacin de los cambios microestructurales en la superficie de contactocausada por los esfuerzos de trabajo es una prctica comn para evaluar laresistencia al desgaste de los materiales en ensayos asociados a fatiga decontacto [36,60,61], cada muestra metalogrfica extrada de las probetas deensayo se analiz en un corte longitudinal con respecto a la direccin de giro(Figura 3.47), con el propsito de identificar los inicios de la falla y su evolucin enlas microestructuras ensayadas, para esto se uso el microscopio estereoscpicoLeica GZ6 y el microscopio electrnico de barrido JEOL JSM 5910LV instaladosen el Laboratorio de Metalografa y de Microscopa Avanzada, respectivamente,buscando establecer relaciones entre mecanismos de desgaste y fallas en lamicroestructura, vale aclarar que la preparacin metalogrfica fue igual a larealizada para el anlisis de las microestructuras iniciales de ensayo.


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Investigaciones realizadas con anterioridad se apoyan en los cambiosmicroestructurales para estimar el esfuerzo cortante bajo la superficie desgastada[65-68] este planteamiento se us para las microestructuras ensayadas buscandocomparar la respuesta a los esfuerzos cortantes generados durante los ensayos.

Figura 3.47Representacin del procedimiento de extraccin de probetas para anlisismetalogrfico.

Microdureza bajo la superficie

En pasados trabajos [60, 65] se llevaron a cabo mediciones de microdureza bajola superficie del material para evaluar la respuesta del mismo a los esfuerzos quese presentan durante el contacto, ayudando a predecir las distancias bajo lasuperficie a las que se pueden presentar las fallas por fatiga, adems de lacuantificacin del endurecimiento por trabajo (acritud) de cada una [69, 70] dadoque este dato es de suma importancia para la evaluacin del desgaste asociado afatiga y deslizamiento [71].

En este trabajo se realizaronmediciones de microdureza bajo la superficie en uncorte longitudinal con respecto a la direccin de giro (Figura 3.47), buscando hacerevaluaciones y comparaciones similares a las planteadas en trabajos anteriores,estas mediciones se llevaron a cabo en un microdurmetro SHIMADZU serie Mcon una resolucin de 0.5 m y con una carga de 100 gf siguiendo loslineamientos de la norma ASTM E-384-09.

En la figura 3.48 se muestra el esquema de diseo de experimentos planteadopara este trabajo.

Se plane hacer 3 repeticiones por corrida para garantizar datos con mayorconfiabilidad estadstica llegando as a resultados ms claros y precisos en lainvestigacin.

Luego de tener las probetas en condiciones ptimas se desarrollaron los ensayos,para lo cual se hizo un arreglo aleatorio del orden de las corridas en el programaestadstico MINITAB (ver tabla 3.39).


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Procedimiento de EnsayoCuando se tuvo la probeta con la microestructura, dureza y acabado superficialdeseados se mont en el tribmetro disco sobre disco para hacer el respectivoensayo; luego de ser montada se verificaron las condiciones ambientales(humedad y temperatura) seguido del establecimiento de los parmetros de carga,

porcentaje de deslizamiento y velocidad angular en la mquina. Dado que se tieneconocimiento de la velocidad angular de la probeta se estipul el tiempo delensayo para cada nmero de ciclos donde se hicieron las mediciones intermediashasta llegar a 200.000 ciclos.

Cuando la probeta fue ensayada hasta el nmero de ciclos de inters, se le realizuna limpieza con ultrasonido durante 5 minutos en un bao de alcohol con el fin dedesprender virutas y suciedades que hicieran parte de la misma, luego se pespara evaluar la prdida de masa y por ltimo se hizo la medicin del acabadosuperficial.

Todos los datos de prdida de masa y acabado superficial final fueron ingresadosal programa de diseo de experimentos para hacer el anlisis estadstico ytcnico.


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4. RESULTADOS

4.1 ANLISIS MICROESTRUCTURAL

Microestructuras Rueda Brasilera

La microestructura de la rueda brasilera despus de ser sometida a losrespectivos tratamientos trmicos se muestra en las figuras 4.49a y 4.49b, dondees posible apreciar granos de perlita rodeados por ferrita proeutetoide. Al realizardiferentes tomas de dureza sobre las probetas (ver figuras 3.37a y 3.37b) seobtuvieron valores entre 260 y 280 Vickers, los cuales son del mismo orden quepresentan las ruedas empleadas por el Metro de Medelln.

a) b)Figura 4.49 Microestructura de las probetas que simulan la rueda. Nital 2% a) 3000Xb) 5000X

Microestructuras Riel R260

a) b)Figura 4.50Microestructura perltica del riel R260. Nital 2% a) 5000Xb) 8500X

La microestructura del riel R260 se muestra en las figuras 4.50b y 4.50b, seobserva en su mayora microestructura perltica dado que es un acero con

Ferrita Proeutectoide

Perlta


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composicin qumica muy cercana a la de un acero eutectoide, adicionalmente lastomas de dureza mostraron valores entre 340 y 360 Vickers, dureza semejante ala que presentan algunos rieles del Metro de Medelln.

La figura 4.51 muestra la microestructura del acero R260 despus de someterse a

tratamientos trmicos que buscaban la transformacin en bainita superior, all seobservaron algunas regiones compuestas por agujas bainticas pero no fue posibledeterminar de manera contundente el tipo de bainita observado, dado que parauna fcil y correcta identificacin de esta se hace necesario el uso de microscopade transmisin en busca de observar la forma y tamao de los carburosprecipitados [72]. Adicionalmente en esta microestructura se realizaronobservaciones de microscopia ptica con el fin de apoyar la observacin de lasagujas bainticas (ver figuras 4.52a y 4.52 b), las durezas encontradas en estamicroestructura estuvieron entre 350 y 370 Vickers.

Figura 4.51 Microestructura Baintica del riel R260 1000X, Picral 3%

a) b)Figura 4.52Microestructura Baintica del riel R260, Picral 3% a) 1000Xb) 1000X

Microestructuras Riel 370LHTLa microestructura perltica del riel 370LHT se muestra en las figuras 4.53a y4.53b, en general se observa una microestructura perltica de igual forma que en

Agujas Bainticas

Agujas Bainticas

Agujas Bainticas

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