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Simulación numérica del comportamiento de elementos estructurales de aceros con transformacion de fase por deformación plástica

De
111 pages

El objetivo de este proyecto ha sido el estudio del comportamiento de los aceros TRIP. Estos aceros son cada vez más utilizados y demandados en un sector como es el del automóvil, donde las reducciones de peso y, por tanto, de consumo son muy importantes. Además, frente a impactos es muy interesante su uso, ya que su microestructura cambia con la deformación y son capaces de absorber una mayor energía de impacto en caso de choque del vehículo. Este estudio se ha hecho en comparación con un acero convencional para poder así observar las diferencias de comportamiento entre uno y otro. Para ello se han estudiado varios modelos analíticos desarrollados para tratar de explicar la conducta de dichos aceros y se ha elegido uno de ellos que recoge las características más útiles de los anteriores. Han sido estudiados nueve casos; acero con transformación de fase (TRIP), acero convencional y acero TRIP con predeformación del 10%, todos ellos con velocidades de deformación de 0.2, 2 y 20 m/s. El programa elegido para la simulación ha sido Abaqus debido a su gran versatilidad y su buena adaptación a este tipo de problemas. Asimismo, se ha utilizado una subrutina programada en Fortran que reproduce de manera bastante fiel cómo se comportan y cómo va evolucionando la microestructura de este tipo de aceros. Esta subrutina se ha adaptado a los casos estudiados para llevar a cabo una simulación con el programa Abaqus y de esta manera obtener los resultados deseados. Se ha implementado para simular un proceso de transformación de fase y se ha modificado para adecuarla a un proceso sin transformación de fase que sería el caso de un acero convencional. También ha estudiado cómo afecta una predeformación a este tipo de aceros, en lo que se refiere, por ejemplo, a su energía absorbida hasta estricción y a su carga máxima. Para ello se han hecho las modificaciones pertinentes en el modelo.
Ingeniería Industrial
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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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Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica PROYECTO FIN DE CARRERA
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Capítulo 8: BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................... 111
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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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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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Aceros con Transformación de Fase por Deformación Plástica
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