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PROYECTO FIN DE CARRERA
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PROYECTO FIN DE CARRERA

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE MEDIOS
CONTINUOS Y TEORÍA DE ESTRUCTURAS

SIMULACIÓN NUMÉRICA DEL
COMPORTAMIENTO DE ELEMENTOS
ESTRUCTURALES DE ACEROS CON
TRANSFORMACIÓN DE FASE POR
DEFORMACIÓN PLÁSTICA


Autor: Dña. Maria Elia Angulo Vázquez
Directores: D. José Fernández Sáez
D. Ramón Zaera Polo
INGENIERÍA INDUSTRIAL
Leganés, Junio de 2009
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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Agradecimientos

Agradezco en primer lugar a D. José Fernández Sáez y D. Ramón Zaera Polo,
por confiarme este proyecto, por la disposición y atención que han tenido en todo
momento y por compartir conmigo sus conocimientos en la materia.
A todo el Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de
Estructuras, en especial a Ángel Sánchez y Jorge Zahr, por la ayuda y el trato
recibidos.
A la Universidad Carlos III de Madrid y en particular a la Escuela Politécnica
Superior y a todos sus departamentos por haber participado en mi formación en
estos año de carrera.
A mi marido Eduardo, por estar a mi lado, por apoyarme y darme fuerzas cuando
más lo he necesitado.
A mis padres por su ayuda y apoyo incondicional durante estos años y por
haberme transmitido el gusto y la curiosidad por las ciencias.
A mi hermano, otro inminente ingeniero industrial, por su apoyo y cariño.
A mis amigos Belén, Ana, Marcial, Romera, Jonás, Poti, Pablo A., Pablo U.
Carlos, Gabi, y por todos los que han compartido conmigo estos años de carrera.
Muchas gracias a todos.


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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Índice

Capítulo 1: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................... 12
Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS ACEROS TRIP ............................................... 15
2.1 Características Generales de los Aceros .................................................................... 16
2.2 Los Aceros TRIP.......................................................................................................... 20
2.3 Influencia de los aleantes en los Aceros TRIP............................................................ 24
Capítulo 3: MODELIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS ACEROS TRIP........... 29
3.1 Evolución de los modelos analíticos .......................................................................... 30
3.2 El modelo Aravas [7] .................................................................................................. 41
3.3 Modificaciones al modelo,[1 ] ................................................................................... 49
Capítulo 4: SIMULACIÓN NUMÉRICA .......................................................................................... 61
4.1 El método FEM........................................................................................................... 62
4.2 Posibles fuentes de error en el método de los elementos finitos............................. 66
4.3 Abaqus Standard/Abaqus Explicit.............................................................................. 68
4.4 Ventajas del uso de Abaqus/Explicit.......................................................................... 71
4.5 Malla y elementos utilizados ..................................................................................... 73
Capítulo 5: RESULTADOS OBTENIDOS......................................................................................... 78
5.1 Carga máxima y energía absorbida............................................................................ 82
5.2 Influencia de la tasa de deformación........................................................................ 91
5.3 Influencia de la temperatura ..................................................................................... 96
Capítulo 6: CONCLUSIONES....................................................................................................... 106
Capítulo 7: TRABAJOS FUTUROS ............................................................................................... 109
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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Capítulo 8: BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................... 111
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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Indice de figuras


Figura 1: Modelo se probeta de tracción con elementos finitos...........................................20
Figura 2: Modelización con FEM de una estructura sometida a impacto ..............................14
Figura 3: Diagrama Fe-C .....................................................................................................18
Figura 4: Influencia de los aleantes en el acero ...................................................................20
Figura 5: Influencia de los aleantes.....................................................................................21
Figura 6: Comparativa de diagramas tensión- deformación para varios aceros ....................24
Figura 7: Limite elástico-elongación para distintos aceros ...................................................25
Figura 8: Limite elástico-elongación para varios aceros y el TRIP 450/800............................26
Figura 9: Elementos y elemento deformado .......................................................................63
Figura 10: Elemento finito y nodos .....................................................................................64
Figura 11: Elemento C3D8R ..............................................................................................76
Figura 12: Malla utilizada para la simulación ......................................................................76
Figura 13: Probeta al final de una simulación......................................................................77
Figura 14: Elemento utilizado para simular la predeformación ............................................79
Figura 15: Malla de la probeta............................................................................................80
Figura 16: Tensión de Von Mises en el instante de tiempo t=1.001e-5 seg para un acero sin
predeformación con velocidad de 20m/s...........................................................................80
Figura 17: Tensión de Von Mises en el instante de tiempo t=1.001e-5 s para un acero con
predeformación con velocidad de 20 m/s...........................................................................81
Figura 18: Probeta con el extremo empotrado....................................................................82
Figura 19: Carga-desplazamiento a 20m/s ..........................................................................83
Figura 20: Carga- desplazamiento a 2m/s ...........................................................................83
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Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Figura 21: Carga- desplazamiento a 0,2 m/s........................................................................84
Figura 22: Comparativa de carga máxima hasta estricción para 20 y 2 m/s ..........................85
Figura 23: Comparativa de carga máxima hasta estricción para TRIP ...................................85
Figura 24: Comparativa de energía hasta carga máxima para 2 y 0,2 m/s ............................86
Figura 25: Comparativa de energía absorbida a 20 y 2 m/seg hasta carga máxima ..............87
Figura 26: Energía absorbida a 20m/seg hasta un 80% de la carga máxima..........................87
Figura 27: Efecto de la predeformación en la energía absorbida [4]....................................88
Figura 28: Evolución de las fases martensita y austenita en la simulación para un acero TRIP
.........................................................................................................................................89
Figura 29: Evolución de las fases martensita y austenita en la simulación para un acero sin
cambio de fase ..................................................................................................................90
Figura 30: Diagrama tensión deformación para un acero TRIP y uno convencional a 20m/seg
.........................................................................................................................................90
Figura 31: Elemento de control en la probeta de acero al comienzo de la simulación ..........91
Figura 32: Elemento de control en la probeta de acero al final de la simulación...................92
Figura 33: Deformación plástica para las tres configuraciones de acero a 2 m/seg ...............92
Figura 34: Deformación nominal vs tasa de martensita con y sin predeformación................93
Figura 35: Tasa de deformación vs tasa de martensita con y sin predeformaciones [4] ........94
Figura 36: deformación nominal vs tasa de martensita para 20 y 2 m/s...............................94
Figura 37: Cinemática de la transformación [8]...................................................................96
Figura 38: Relación entre temperatura y energía libre de Gibbs ..........................................97
Figura 39: Transformación de fase al comienzo de la simulación .........................................99
Figura 40: Transformación de fase al final de la simulación .................................................99
Figura 41: Puntos de control para ver la influencia de la temperatura ...............................100
Figura 42: Deformación plástica equivalente total para los puntos de control ...................101
Figura 43: Tasa de deformación de la austenita para los puntos de control........................101
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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Figura 44: Tasa de formación de martensita para los puntos de control.............................102
Figura 45: % de martensita vs temperatura en la probeta para 20m/seg ...........................103
Figura 46: % de martensita vs temperatura de la martensita.............................................103
Figura 47: Tasas de deformación de cada una de las fases.................................................104
Figura 48: Temperatura global de la probeta con el tiempo a 20 m/s ................................104
Figura 49: Temperatura de cada una de las fases durante la simulación ............................105
Figura 50: Deformación de cada fase durante la simulación ..............................................105

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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Figura 1: Modelo se probeta de tracción con elementos finitos
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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
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Capítulo 1


INTRODUCCIÓN Y
OBJETIVOS






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Simulación Numérica del Comportamiento de Elementos Estructurales de
Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica
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