Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (1): 175-179

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COMPORTAMIENTO DE RELAJACIN DE ESFUERZOS EN ACEROS PERLTICOS TRATADOS TERMOMECNICAMENTE

S. B. Cabello 1*, A. P. Delgado1, E. S. Puchi2, M. Torres 3

9 Este artculo forma parte del Volumen Suplemento S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

(RLMM). Los suplementos de la RLMM son nmeros especiales de la revista dedicados a publicar memorias de congresos.

9 Este suplemento constituye las memorias del congreso X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X

IBEROMET) celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008. 9 La seleccin y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comit

Organizador del X IBEROMET, quien nombr una comisin ad-hoc para este fin (vase editorial de este suplemento).

9 La RLMM no someti estos artculos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los nmeros regulares

de la misma. 9 Se recomend el uso de las Instrucciones para Autores establecidas por la RLMM para la elaboracin de los

artculos. No obstante, la revisin principal del formato de los artculos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comit Organizador del X IBEROMET.

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COMPORTAMIENTO DE RELAJACIN DE ESFUERZOS EN ACEROS PERLTICOS TRATADOS TERMOMECNICAMENTE

S. B. Cabello 1*, A. P. Delgado1, E. S. Puchi2, M. Torres 3 1: Dpto. de Materiales y Procesos de Fabricacin, Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela 2: Escuela de Ingeniera Metalrgica, Facultad de Ingeniera, Universidad Central de Venezuela

3Departamento de Mecnica, Universidad Simn Bolvar. Venezuela

* E-mail: scabello@uc.edu.ve

Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008 Seleccin de trabajos a cargo de los organizadores del evento

Publicado On-Line el 20-Jul-2009 Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html

Resumen En esta investigacin se estudi la relajacin de esfuerzos en acero perltico, a diferentes condiciones en las que se

vari el tratamiento trmico y/o mecnico. Las muestras, provenientes de trefilado en fro, fueron ensayadas en una mquina servohidrulica controlada por computador que permite, trabajando en modo de relajacin, mantener constante la deformacin inducida en la muestra una vez aplicado el esfuerzo inicial, y registrar la disminucin de este ltimo con el tiempo. La duracin de cada ensayo fue de 1 hora y la temperatura se mantuvo constante, en 20 C aproximadamente. Las condiciones de estudio evaluadas fueron: 1) sin tratamiento, 2) con tratamiento mecnico (estirado a 80% Sy), 3) con tratamiento trmico de alivio de tensiones (400C) y 4) con tratamiento trmico ms tratamiento mecnico. Se encontr que los tratamientos termomecnicos aplicados influyeron positivamente en los patrones de relajacin, sin alterar las propiedades mecnicas convencionales. Se propone un tratamiento trmico de alivio de tensiones a 400C ms un tratamiento mecnico de estirado (80% Sy) para disminuir la relajacin de esfuerzos del acero perltico.

Palabras Claves: Relajacin de esfuerzos, Acero perltico, Tratamientos termomecnicos.

Abstract In the present work stress relaxation on pearlitic steel at different conditions in which thermomechanical treatments

were applied was studied. Samples from cold drawing were tested in a servohydraulic machine controlled by computer, which allows, working in relaxation mode, to maintain a constant strain once initial stress is applied and to register stress decrease in time. Each test was done during one hour and at a constant temperature (20C).The different conditions tested were: 1) without treatment, 2) with a mechanical treatment (stretching to 80% Sy), 3) with thermal treatment to stress relieve al 400C and 4) with thermomechanical treatment. It was found that thermomechanical treatments applied have a beneficial effect on relaxations behavior, without important changes in conventional mechanical properties. A stress relieving treatment at 400C and a prestretching treatment (80% Sy) is proposed in order to reduce stress relaxation in pearlitic steels.

Keywords: Stress relaxation, Pearlitic steel, thermomechanical treatments.

1. INTRODUCCIN La relajacin de esfuerzos, as como la fluencia lenta (creep), son respuestas del material que dependen del tiempo y en las que la deformacin resultante est influenciada por los as denominados efecto viscosos [1]. En el caso particular de la relajacin, el material experimenta variaciones del esfuerzo en funcin del tiempo, una vez sometido a cierto nivel de esfuerzo inicial y manteniendo constante la longitud. Este

comportamiento es de inters en la industria del pretensado, ya que al aplicar el esfuerzo inicial a los componentes estructurales, bien sea que estos se encuentren en forma de torones o varillas y previo al vaciado del concreto, los mismos sufrirn una disminucin de dicho esfuerzo con el paso del tiempo, quedando comprometida la eficiencia del conjunto concreto-acero y en consecuencia, acortando el tiempo de vida til de la estructura o incrementando los costos por concepto de la

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utilizacin de una mayor cantidad de acero para compensar los efectos de la relajacin. Muchos han sido los esfuerzos realizados para aminorar este efecto en aceros destinados a la fabricacin de estructuras de concreto pretensado, entre ellos la aplicacin de tratamientos termomecnicos para alivio de tensiones y disminucin de esfuerzos residuales inducidos en el trefilado de los alambres que conforman los torones [2-4]. Como consecuencia de la deformacin plstica no homognea a travs de la seccin transversal asociada al proceso de trefilado, se generan esfuerzos residuales de tensin en la superficie del alambre. Dichos esfuerzos pueden afectar el comportamiento mecnico de alambres y su durabilidad, reduciendo la vida en servicio por fatiga, entre otros. En el caso del acero para concreto pretensado, los esfuerzos residuales reducen el lmite elstico e incrementan las prdidas en ensayos de relajacin de esfuerzos [5]. Todo lo anterior puede hacer al material inadecuado para estndares de pretensado, por lo que es importante conocer la distribucin de esfuerzos residuales generados por trefilado en fro y entender los mecanismos para modificarlos, de modo que cualquier efecto negativo pueda ser prevenido. Recientemente [5,6] se encontr correlaciones entre tensiones residuales producidas por el trefilado y el comportamiento de relajacin en aceros. Los fabricantes de alambres conocen el efecto daino de los esfuerzos residuales y, para reducir su influencia aplican tratamientos termomecnicos despus del trefilado. La mayora de estos tratamientos trmicos empricos se mantienen en secreto Los alambres comerciales, despus de trefilados, se someten a un tratamiento de alivio de tensiones. Uno de los ms efectivos (un tratamiento trmico bajo tensin) conocido como estabilizado disminuye los esfuerzos residuales e incrementa el esfuerzo de fluencia. Los tratamientos trmicos solos, disminuyen los esfuerzos residuales pero usualmente tambin disminuyen las propiedades mecnicas logradas en el trefilado. Esto puede explicar que las prdidas de relajacin de esfuerzos incrementen con algunos tratamientos trmicos. Adems de los tratamientos termomecnicos, existe un mtodo alternativo y puramente mecnico para la reduccin de esfuerzos residuales, y en

consecuencia de la relajacin de esfuerzos. Consiste en una etapa de trefilacin adicional al alambre ya conformado, hacindolo pasar por un dado de semingulo reducido del dado y que adems le proporcione una pequea deformacin, por el orden de 1% de reduccin de rea. Tal procedimiento cambia la distribucin de esfuerzos residuales y suprime los esfuerzos en la superficie del alambre, lo cual es beneficioso para el mejoramiento de las propiedades mecnicas [6,7] ltimamente se ha encontrado una forma ms simple de mejorar la distribucin de esfuerzos residuales en la superficie del alambre, se trata de la aplicacin de un tratamiento de traccin uniaxial [7]. Con este tratamiento puede introducirse en el material una deformacin plstica adicional de apenas 0,9% y que sin embargo, es suficiente como para modificar de manera significativa el perfil de esfuerzos residuales y en consecuencia, el comportamiento de relajacin de esfuerzos. Este mtodo tiene la ventaja de que no requiere el uso de un dado con acabado extra ni geometras intrincadas, a diferencia del mtodo basado en la etapa de trefilado adicional citado anteriormente. An cuando existe correlacin directa entre los esfuerzos residuales y el comportamiento de relajacin de esfuerzos, persiste la complejidad de medir esfuerzos residuales en aceros perlticos, especficamente en la fase cementita. Las mediciones mediante difraccin de rayos X y difraccin de neutrones se complican, porque adems de la relativa baja fraccin volumtrica de la Fe3C, su estructura ortorrmbica dispersa el haz en un gran nmero de reflexiones de Bragg, por lo que se requiere fuentes de radiacin muy intensas a energas que garanticen suficiente penetracin para medir esfuerzos residuales en esta fase dentro del material y, se ha demostrado [8] que la fase cementita juega un rol significativo en la determinacin de esfuerzos residuales, puesto que si los esfuerzos residuales son medidos slo en la fase ferrita, los resultados son subestimados en la direccin axial de la barra (cerca de 200 Mpa); en contraste, los esfuerzos radiales y laterales son sobreestimados en aproximadamente la misma cantidad. Con este hecho se demostr que el efecto del esfuerzo residual en la fase cementita no se puede obviar, si se desea obtener resultados confiables de los esfuerzos residuales totales. An cuando los ensayos estandarizados de relajacin demandan mayor cantidad de tiempo

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(1000 horas), se puede recurrir a ensayos de corta duracin para evaluar el efecto de determinadas condiciones [2], y sin la complejidad asociada a la medicin de esfuerzos residuales en aceros perlticos. En esta investigacin se estudi la relajacin de esfuerzos en acero perltico, a diferentes condiciones en las que se vari el tratamiento trmico y/o mecnico a partir de ensayos de relajacin de esfuerzos de corta duracin.

1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El material de estudio, suministrado por la empresa Vicson S.A. Valencia fue alambre de acero perltico de 4,24 mm de dimetro, proveniente del trefilado en fro de alambrn de 11 mm de dimetro en una serie de ocho etapas. La composicin qumica del acero evaluado se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Composicin qumica (% en peso) del acero estudiado

C Mn Si P S Al 0,825 0,791 0,282 0,011 0,006 0,002

Las condiciones evaluadas fueron las siguientes: 1) condicin original de trefilado en fro, sin tratamiento adicional, 2) condicin original ms tratamiento mecnico de preestirado a 80% del esfuerzo de fluencia del material, 3) condicin original ms tratamiento trmico a 400C y 4) condicin original con tratamiento trmico a 400C ms tratamiento mecnico de preestirado a 80% del esfuerzo de fluencia. Previo a los tratamientos termomecnicos, fueron realizados ensayos de traccin para determinar las propiedades mecnicas que serviran de base para fijar las condiciones de tratamiento mecnico y adicionalmente el valor del esfuerzo inicial para los ensayos de relajacin. La tabla 2 muestra las propiedades mecnicas del material en la condicin original de trefilado en fro. Los ensayos de traccin fueron realizados en una mquina universal de ensayos MTS de 25 Toneladas, modelo 810, con un programa de adquisicin de datos Lab. View 6,1 DPMAC, a una velocidad de desplazamiento del cabezal de 3 mm/min.

Tabla 2. Propiedades mecnicas promedio para la condicin original de trefilado en fro.

E (GPa) Sy (MPa) Su (MPa) % Alarg. 200 1642 2011 36,7

Una vez definidos los parmetros de los tratamientos trmicos y/o mecnicos, se procedi a efectuarlos de la manera siguiente: Los tratamientos trmicos fueron realizados en un horno de atmsfera controlada (como se ilustra en la figura 1), manteniendo por un tiempo de 15 minutos a 400C las muestras seleccionadas, y con un enfriamiento posterior dentro del horno. Para los tratamientos mecnicos, se utiliz una mquina universal de ensayos, descrita en prrafos precedentes, aplicando un esfuerzo de 1313 MPa (correspondiente al 80% del esfuerzo de fluencia del material en condicin original) y con una duracin de 5 minutos.

Figura 1. Horno de atmsfera controlada para tratamiento trmico de alivio de tensiones

Una vez aplicados los tratamientos trmicos y/o mecnicos, fueron evaluadas las propiedades mecnicas mediante en ensayo de traccin, ensayando tres muestras por cada condicin. Para los ensayos de relajacin, se emple la mquina universal de ensayos, a una velocidad de 5 mm/min a una temperatura constante de aproximadamente 20C y con una duracin de 1 hora. Por cada condicin, se evalu tres muestras. El esfuerzo inicial se fij como el 70% del esfuerzo ltimo promedio entre las distintas condiciones, en vista de que las propiedades mecnicas no se modificaron significativamente con los tratamientos aplicados. Una vez obtenidos los resultados de los ensayos de relajacin, se evalu mediante microscopa

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electrnica de transmisin las condiciones extremas (mxima y mnima relajacin), para ello se aplic tcnicas convencionales de preparacin de muestras, (desbaste, pulido y ataque). Para el ataque qumico se utiliz nital al 2%

2. RESULTADOS Y DISCUSIN Los perfiles de relajacin obtenidos para las distintas condiciones se representan en la figura 2. Para un tiempo de ensayo de 1 hora se obtienen distintos comportamientos. Se observa cmo la tasa de prdida de esfuerzo en el tiempo disminuye a lo largo del ensayo para todas las condiciones ensayadas. Los primeros minutos de la prueba corresponden a la fase de relajacin acelerada, seguida por una fase intermedia y finalmente las curvas muestran tendencia a la estabilizacin a medida que aumenta el tiempo de ensayo. An cuando no se observa completa estabilizacin para el tiempo de ensayo (1 hora), puede observarse la tendencia bien diferenciada entre las cuatro condiciones. Se puede notar que la condicin combinada de tratamiento trmico y mecnico aplicado a la condicin original de trefilado en fro (condicin 4) presenta mayor resistencia a la relajacin, es decir, tiene la menor disminucin del esfuerzo inicial para una hora, seguido por la condicin de tratamiento trmico de alivio de tensiones a 400C (condicin 3), en tercer lugar la condicin de tratamiento de estirado a 80% del esfuerzo de fluencia (condicin 2) y por ltimo la condicin original, sin tratamiento posterior (condicin 1), la cual reporta el comportamiento de relajacin ms desfavorable

1350

1370

1390

1410

1430

1450

0 10 20 30 40 50 60Tiempo (minutos)

Esfu

erzo

(MPa

)

Serie1 Serie2Serie3 Serie44: CO+TT+TM 3: CO+TM2: CO+TM 1: CO

Figura 2. Curvas de relajacin obtenidas para las diferentes condiciones ensayadas

De la tabla 3 se observa cmo las propiedades mecnicas convencionales no varan significativamente, a pesar de que el porcentaje de relajacin vari drsticamente, tomando como referencia, la norma que rige este tipo de ensayos. Aplicando tratamiento trmico ms tratamiento mecnico, la relajacin disminuy favorablemente con respecto al resto de las condiciones. Las figuras 3 y 4 muestran las micrografas obtenidas por microscopa electrnica de barrido para las condiciones extremas 1 y 4 respectivamente. Se observa la estructura laminar de ferrita y cementita, caracterstica de aceros con la composicin de carbono cercana a la eutectoide. No se aprecian cambios significativos en la estructura del material; lo cual se atribuye a que las alteraciones inducidas al material estn a nivel de los esfuerzos residuales, que pasan desapercibidos con esas magnificaciones.

Tabla 3. Tabla comparativa de la variacin de las propiedades mecnicas y del porcentaje de relajacin para las diferentes condiciones ensayadas Condicin Sy

(MPa) Su

(MPa) %

Alarg. %

Relajacin 1 1642 2011 36,7 4,33 2 1693 2075 35,1 3,32 3 1791 1935 33,2 2,89 4 1926 2007 34,5 2,38

Figura 3 Micrografa del acero perltico en condicin original de trefilado en fro.

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Figura 4. Micrografa del acero perltico con tratamiento trmico de alivio de tensiones a 400C y tratamiento mecnico de estirado al 80% del esfuerzo de fluencia.

3. CONCLUSIONES Los tratamientos termomecnicos aplicados influyeron positivamente en los patrones de relajacin, sin alterar las propiedades mecnicas convencionales, por ende constituyen una alternativa de optimizacin del comportamiento de relajacin en aceros destinados al concreto pretensado, donde los requerimientos de estabilidad de esfuerzo en el tiempo garantizan la confiabilidad de la estructura a un costo razonable. Una alternativa propuesta para disminuir la relajacin del acero perltico es un tratamiento trmico de alivio de tensiones a 400C ms un tratamiento mecnico de estirado (80% Sy). A medida que se aplican los tratamientos que favorezcan la disminucin de los esfuerzos residuales, la magnitud del esfuerzo de relajacin es mayor, y la estabilizacin ocurre en menor tiempo.

4. AGRADECIMIENTOS Los autores desean manifestar su agradecimiento a la empresa Vicson S.A de Venezuela, por la donacin de las muestras utilizadas en este estudio, en especial al Ing. Lacides Castillo, gerente del Departamento de Control Calidad.

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