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UNIVERSIDAD DE SALAMANCA ÁREA DE CIENCIA DE MATERIALES E INGENIERIA METALÚRGICA INGENIERÍA DE MATERIALES TESIS DOCTORAL INICIACIÓN Y PROPAGACIÓN DE FISURAS POR FATIGA EN ALAMBRES DE ACERO DE PRETENSADO POR JUANCARLOSMATOSFRANCOIngeniero de Materiales Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas Ingeniero Técnico Industrial Mecánico
Director de la Tesis JESÚSANDRÉSTORIBIOQUEVEDODoctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos 2008
Zamora, julio de 2008
EL TESINANDO Fdo: Juan Carlos Matos Franco
EL DIRECTOR DE LA TESIS
Fdo: Jesús Toribio Quevedo
RESUMEN
Esta Tesis estudia el fenómeno de fatiga en aceros eutectoides progresivamente trefilados (alambrón, cada uno de los pasos intermedios y producto final del trefilado), a través de ensayos en alambres prefisurados superficialmente sometidos a carga cíclica de tracción axial. Elprimer capítulolos objetivos perseguidos con esta investigación, además de expone realizar una revisión bibliográfica de los antecedentes de interés analizados sobre la materia objeto de estudio. En elsegundo capítulo se busca un conocimiento básico del material estudiado, acero perlítico progresivamente trefilado, mediante el análisis de su microestructura: colonias y láminas de perlita. Se obtienen sus propiedades mecánicas convencionales a partir de ensayos de tracción simple: módulo de Young, límite elástico, resistencia a tracción, deformación máxima a tracción y coeficientes de Ramberg-Osgood. La superficie de fractura obtenida en los alambres, después de la rotura en tracción simple, también ha sido examinada. Por último, con la realización de ensayos de dureza Rockwell C se ha caracterizado la anisotropía plástica producida durante el proceso de trefilado y determinado los cambios en las bandas de deslizamiento del material. En eltercer capítulo se realiza una caracterización del frente de fisura en alambres que se obtiene por fatiga mediante un arco de elipse a partir del método de los mínimos cuadrados. Las dos variantes triparamétricas más comúnmente utilizadas, la elipse con centro en el borde del alambre y el círculo, se comprueba que son igualmente adecuadas. Se ha analizado el factor de intensidad de tensiones (FIT) adimensional en barras cilíndricas lisas y entalladas, fisuradas y sometidas a cargas de tracción o flexión, a partir de los resultados de múltiples autores. Con la solución más adecuada se ha diseñado un programa que permite calcular la evolución del frente de fisura a partir de distintas geometrías de fisuras iniciales (diferentes profundidades de fisura y relaciones de aspecto), contenidas en la sección transversal de alambres de diversos materiales (caracterizados a partir del parámetromde Paris), sometidos a cargas de tracción (con extremos libres y constreñidos) y cargas de flexión. La modelización se basa en la discretización del frente de fisura elíptico y el avance de cada punto conforme a la ley de Paris-Erdogan de forma perpendicular al frente de fisura y ha permitido analizar la evolución de diversos parámetros con el crecimiento, como son el porcentaje de área fisurada,
el FIT adimensional máximo y mínimo en el frente de fisura y la relación entre ambos, la flexibilidad adimensional y el número de ciclos adimensional, estableciéndose las diferencias entre las distintas condiciones de carga en cuanto a seguridad estructural. En elcuarto capítuloha estudiado de forma experimental el crecimiento de fisuras por se fatiga en acero perlítico. La observación microscópica de la superficie de fractura ha permitido analizar el patrón de micro-desgarros plásticos fruto del fenómeno de fatiga sobre estos aceros y determinar sus cambios con el intervalo de oscilación de tensiones, la relación entre cargas (factorR) y el material (alambrón y acero de pretensado). Técnicas fracto-materialográficas han permitido analizar, a través de cortes perpendiculares al frente de fisura, el camino seguido en la propagación de la fisura por fatiga y ver cómo influyen el proceso de trefilado y el factorR. El estudio macroscópico del crecimiento de fisuras por fatiga, en el régimen de Paris del alambrón y del acero de pretensado, se ha realizado a partir de ensayos sobre alambres prefisurados con carga de tracción en escalones decrecientes, analizando además cómo les afecta la variación del factorR. Se han caracterizado los frentes de fisura que aparecen sobre la superficie de fatiga en el cambio de carga, obteniéndose las curvas de flexibilidad adimensional y a partir de ellas las curvas de Paris para los distintos factoresR,a través del ajuste de la velocidad de crecimiento de fisuras frente al intervalo de oscilación de tensiones en su régimen estacionario, calculados en el punto central del frente de fisura. La consideración de la diferencia entre la superficie neta fracturada (obtenida con el análisis microscópico de la fisura) y su proyección, ha permitido corregir estas curvas. Finalmente, la realización del mismo tipo de ensayos sobre los pasos intermedios del trefilado muestra la aparición del denominadoefecto gaviota sobre la superficie de fatiga, que aparece en los frentes de fisura visibles en los cambios de carga, y que se ha relacionado con las tensiones residuales provocadas por el paso del alambre a través de la hilera de trefilado. En elquinto capítulo se exponen las diversas conclusiones a las que se ha llegado con el desarrollo de esta Tesis, sobre el comportamiento en fatiga de alambres fisurados de aceros perlíticos progresivamente trefilados.
APORTACIONES ORIGINALES
Elaboración de diferentes programas que modelizan el frente de fisura producido por cargas cíclicas sobre la sección transversal de un alambre, mediante el mejor ajuste elíptico con centro en el exterior de la varilla o circular sin ninguna restricción (ambos de tipo triparamétrico).
Revisión crítica del factor de intensidad de tensiones (FIT) adimensional a lo largo del frente de fisura para la situación tridimensional de una probeta cilíndrica, tanto lisa como entallada, fisurada transversalmente y sometida a cargas axiales de tracción (libres o constreñidas) o de flexión.
Realización de un programa para simular el avance de fisuras elípticas en alambres sometidos a cargas de tracción (con extremos libres o constreñidos) o flexión, de acuerdo a la ley de Paris-Erdogan, a partir de una discretización del frente de fisura y crecimiento en cada punto en la dirección perpendicular a dicho frente.
Estudio en alambres de la curva de relación de aspecto frente a profundidad relativa de fisura (a/b-a/D) durante el crecimiento por fatiga de distintas geometrías iniciales de fisura, desde prácticamente rectas hasta circulares, para distintos materiales (caracterizados por el parámetromde Paris) y cargas de tracción (con extremos libres o constreñidos) o de flexión.
Análisis en alambres de la evolución del porcentaje de área fisurada durante el crecimiento por fatiga de distintas geometrías de fisura iniciales (prácticamente rectas y circulares), para distintos materiales (caracterizados por el parámetromde Paris) y cargas de tracción (con extremos libres o constreñidos) o de flexión.Estudio en alambres de la evolución del FIT adimensional máximo y mínimo sobre el frente de fisura y la relación entre ambos durante el crecimiento por fatiga de distintas geometrías de fisura iniciales (prácticamente rectas y circulares), para distintos materiales (caracterizados por el parámetromParis) y cargas de tracción (con extremos libres o de constreñidos) o de flexión.
Determinación de la flexibilidad adimensional sobre alambres con fisuras de distintas geometrías, para profundidades relativas de fisuraa/D=0.1 hasta 0.8 y relaciones de aspectoa/b={0.08. 0.20, 0.40, 0.60, 0.80, 1.00}, sometidos a cargas de tracción (con extremos libres o constreñidos) o cargas de flexión.
Análisis en alambres de la evolución de la flexibilidad adimensional durante el crecimiento por fatiga de distintas geometrías de fisura iniciales (prácticamente rectas y circulares), para distintos materiales (caracterizados por el parámetromde Paris) y cargas de tracción (con extremos libres o constreñidos) o de flexión.
Estudio en alambres de la evolución del número de ciclos adimensional durante el crecimiento por fatiga de distintas geometrías de fisura iniciales (prácticamente rectas y circulares), para distintos materiales (caracterizados por el parámetromde Paris) y cargas de tracción (con extremos libres o constreñidos) o de flexión.
Análisis experimental sobre la superficie de fractura en modo I de la evolución del frente de fisura originado por el descenso brusco de la carga máxima cíclica de tracción, en todos los pasos de trefilado de los alambres de acero perlítico (alambrón, pasos intermedios y acero de pretensado).
Determinación experimental de las curvas de flexibilidad adimensional para el alambrón y el acero de pretensado en barras cilíndricas fisuradas superficialmente y sometidas a cargas cíclicas de tracción, en función de la profundidad relativa de fisura y de la relación de aspecto, y su comparación a través de la utilización de un extensómetro virtual.
m Obtención de las curvas de Paris (da/dN=CK) para el alambrón y el acero de pretensado, a partir de ensayos en alambres prefisurados sometidos a carga cíclica de tracción axial en escalones decrecientes, que permiten determinar el efecto del proceso de trefilado sobre la velocidad cíclica de crecimiento de fisuras.
Estudio de la influencia del factorRpositivos) sobre la velocidad cíclica de (valores crecimiento de fisuras en el régimen de Paris, para el alambrón y para el acero de pretensado, mediante ensayos en alambres prefisurados sometidos a carga cíclica de tracción axial en escalones decrecientes.