Evaluación del comportamiento a fatiga de una unión soldada a
Contents
1. a con esa carga se correspond a con el valor de tensi n correspondiente al l mite de resistencia a la fatiga que se buscaba en la investigaci n Fue necesario entonces ajustar los puntos intermedios de la curva y para ello se analizaron dos niveles de carga m s seleccionando cargas de 31 5 kN y 30 5 kN respectivamente Esta manera de realizar los ensayos a fatiga se conoce como m todo de la escalera o sube y baja Los ensayos a fatiga se realizaron en el laboratorio de estructuras de la Universidad de Burgos Espa a se us una m quina universal MTS810 de fabricaci n estadounidense Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 34 Pavel Michel Almaguer Zaldivar Roberto Estrada Cingualbres En este trabajo se realiz un an lisis fractogr fico a todas las probetas que fallaron a fatiga mediante microscop a ptica MO y electr nica de barrido SEM utilizando un Estereomicroscopio Zeiss Stemi SV11 y un microscopio electr nico de barrido JEOL JSM 6460LV con sistema INCA de an lisis elemental por Rayos X respectivamente An lisis estad stico del ensayo a fatiga Para el tratamiento de los resultados de los ensayos a fatiga se aplic en esta investigaci n la norma ASTM E 739 91 Standard Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress Life S N and Strain Life e N Fatigue Data 11 que rige el tratamiento estad stico de los mismos La distribuci n de vida de fatiga en cualqui2. 48 15 675 17 325 16 775 Carga amplitud P kN 15 12 12 825 14 175 13 725 Rango de la carga AP kN 30 24 25 650 28 350 27 450 Tensi n M xima Omax MPa 210 00 178 100 196 900 190 600 Tensi n m nima O nin MPa 21 00 17 810 19 690 19 060 Tensi n media O MPa 115 50 97 955 108 295 104 830 Tensi n amplitud o MPa 94 50 80 145 88 605 85 770 Rango de tensi n Ac MPa 189 00 160 290 177 210 171 540 Coeficiente de asimetr a R 0 10 0 100 0 100 0 100 En la figura 3 se muestran la cantidad de ciclos que resisti cada probeta y la cantidad de probetas que fueron ensayadas en cada nivel de carga N mero de ciclos que resistieron las diferentes probetas A 3 Cantidad de i e LEJ W 2 gt o o g 1000000 o 3 e r DN i e Leyenda g PELIIN o Nivell P 33 6 kN 2 e Nivel2 P 28 5 kN Nivel3 P 31 5 kN ld e Nivel4 P 30 5 kN 10000 012345 6 7 8 910111213141516 1718 192021 Probeta n mero Fig 3 N mero de ciclos que resisti cada probeta y cantidad de probetas ensayadas a cada nivel de carga Para ensayar los siguientes niveles de carga se mantiene constante el coeficiente de asimetr a del ciclo y se disminuye el valor de carga y por ende de tensi n hasta que la probeta falle a 1500000 ciclos Los datos que se le proporcionaban a la m quina de ensayo para configurar los experimentos son las cargas Como se mencion antes para el segundo nivel se disminuy la carga m xima hasta Pmax 28 5 kN por lo que
3. ASTM E 468 90 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials 12 Esta plantea que es necesario mostrar datos como las caracter sticas del material base procesos tecnol gicos realizados probetas utilizadas m quina de ensayos utilizada condiciones de los experimentos para que se le pueda dar a la informaci n proporcionada la mayor utilidad posible Estos datos se mencionaron antes Los resultados de los diferentes ensayos se muestran en la tabla 4 Seg n la norma ASTM E 468 90 solo es preciso exponer dos par metros del ciclo en la tabla 4 de los resultados de los ensayos En la tabla 4 se muestran la amplitud del ciclo S y la tensi n m xima Smax Los dos valores de tensi n se expresan tanto en el Sistema Internacional de Unidades como en el Sistema Ingl s para facilitar la b squeda de alg n valor Tambi n se encuentran el n mero de ciclos que resisti cada probeta y se realizan observaciones sobre la naturaleza del fallo Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 39 Evaluaci n del comportamiento a fatiga de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 Tabla 4 Resultados del ensayo a fatiga Probeta S MPa ksi Sinay MPa ksi Ciclos Observaciones 1 94 500 13 710 210 2 30 5 290047 Falla 94 500 13 710 210 2 30 5 24624 Falla Falta de fusi n 3 94 500 13 710 210 2 30 5 602953 Falla 4 94 500 13 710 210 2 30 5
4. a del elemento o defectos que tengan lugar durante el proceso de fabricaci n Las uniones soldadas debido a su geometr a son ya concentradores de tensiones siendo el cambio de secci n entre el metal base y el sobrecord n una discontinuidad importante a lo que se suma la disminuci n de la tenacidad en la ZAT que propiciar n el fallo de la uni n ante las carga variables La uni n soldada objeto de estudio fue ensayada a fatiga para ello fue necesario determinar los valores de los par metros del ciclo de carga El r gimen de carga empleado fue a tracci n asim trica El primer par metro determinado fue la tensi n m xima O ecuaci n 1 Considerando que el fallo max de la uni n debe producirse en la ZAT se consideraron las propiedades del material base para calcular ese valor La tensi n m xima del ciclo en un primer nivel de carga se tom como dos terceras partes del l mite de fluencia del acero AISI 1015 Para decidir esto se consider que la fatiga del elemento ocurre a valores de tensi n inferiores al l mite de fluencia 2 Om 305 1 El valor de la tensi n m xima calculada mediante la expresi n anterior es igual a O pax 210 MPa a la que correspondi una carga m xima Pax 33 60 kN En esta investigaci n los siguientes niveles de carga se determinaron a medida que se avanz en la realizaci n de los experimentos Esto se debi a la gran dispersi n que existe en los resultados de los ensayos a fat
5. de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 Ahora es necesario probar la certeza del uso del modelo lineal asumido ecuaci n 3 Si el ensayo es realizado de manera tal que sean observados m s de un valor de Y para algunos valores de X X son los niveles de carga e i 2 3 entonces es posible realizar una prueba estad stica basada en la distribuci n F que aparece en 7 El logaritmo de N en la j sima probeta ensayada en el j simo nivel de X es denotado para este an lisis como Y En nuestro estudio los ensayos a fatiga se realizaron a l 4 diferentes niveles de carga y fueron observados diferentes valores m de Y en cada valor de X La hip tesis de linealidad expresada en la ecuaci n 3 es rechazada cuando el valor de F calculado usando la expresi n 7 es mayor que Fp determinado de 7 para el nivel de significancia deseado Para un nivel de significancia del 95 F 3 6823 y a F 2 7 A Y a El par metro F calculado tiene un valor de 3 4577 siendo menor que F por lo tanto se acepta la hip tesis de linealidad del modelo que se emplea para el estudio de los resultados del ensayo a fatiga de la uni n soldada Resultados De acuerdo a lo expresado en la secci n anterior se realizaron experimentos a 4 niveles de carga En el primer nivel de carga se obtuvo una gran dispersi n de los valores de los ciclos N a los que fallaron las probetas ver Fig 2 Cuando se hab an realizado experimentos en este nivel se observ
6. objective of this work is to obtain the S N curve of the butt welded joint of AISI 1015 steel and electrode E6013 as the contribution material Fatigue test was realized within the ASTM standard in the MTS810 testing machine Rectangular cross section specimens was used Cyclic loads was asymmetric tensile and the asymmetry ratio used was 0 1 In this study was obtained the fatigue limit equal to 178 MPa at the cut point of 2 039 093 cycles Key words welded joint fatigue S N curve AISI 1015 steel electrode E6013 Sitio web http www ingenieriamecanica cujae edu cu 31 Evaluaci n del comportamiento a fatiga de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 Introducci n En las uniones soldadas presenta especial inter s la Zona de Afectaci n T rmica ZAT que debido a las elevadas temperaturas alcanzadas durante la soldadura experimenta transformaciones metalogr ficas importantes y tambi n en sus propiedades mec nicas Por esa raz n es de esperar que en los casos de uniones soldadas sometidas a cargas c clicas el fallo de las mismas ocurra precisamente en esa zona La influencia que las discontinuidades geom tricas tienen sobre la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas es un hecho ampliamente reconocido En la ZAT puede ser donde nuclean las discontinuidades que en general son las iniciadoras de las grietas de fatiga en las uniones soldadas La fisura por fatiga comienza en un defecto local de la estructura ya sea intern
7. que pudieran ser identificadas mediante esa prueba Otros autores tambi n observaron el crecimiento de grietas con un frente semieliptico a partir de defectos iniciales en la uni n Por ejemplo Peng realiz ensayos a uniones soldadas a tope con una configuraci n similar a la utilizada en este trabajo 8 Biek et al quienes desarrollaron el estudio del crecimiento de grietas en uniones soldadas solicitadas a flexi n 13 y Gaul et al que estudiaron la fatiga de uniones soldadas por puntos 14 En la probeta 17 se desarroll una grieta m s grande que present coalescencia con una m s peque a Fue posible observar como despu s que las dos grietas se unieron siguieron creciendo con un frente com n Conclusiones De acuerdo al ajuste realizado a la ecuaci n se obtuvo que se puede considerar la tensi n m xima de 178 1 MPa a un punto de corte de 2 039 093 como el l mite de resistencia a la fatiga de la uni n soldada Existe dispersi n en los datos experimentales incluso en niveles inferiores de carga se aprecia que algunas probetas fallan a valores de ciclos menores que en el nivel superior En el nivel 1 la probeta 3 resisti 602 593 ciclos a una carga de 33 6 kN mientras que en el nivel 3 a una carga de 31 5 kN inferior a la primera la probeta 9 solo resisti 345 930 ciclos En el nivel 4 donde la carga era menor aun 30 5 kN la probeta 21 soport 277 211 ciclos Tambi n se puede decir que la probeta 20 ensayada
8. 523170 Falla Material Base BM 5 6 94 500 13 710 210 2 30 5 399580 da en la ZAT y tambi n en el 80 145 11 624 178 1 25 8 4671010 No falla Rompe al final de la ZAT La 7 80 145 11 624 178 1 25 8 2045073 grieta comienza en una gota de metal fundido figura 5 8 80 145 11 624 178 1 25 8 1575206 No falla Falla Coalescencia de grietas 9 88 605 12 851 196 9 28 6 345930 que comienzan a desarrollarse en planos diferentes 10 88 605 12 851 196 9 28 6 298920 Falla en MB y en ZAT 11 88 605 12 851 196 9 28 6 210595 Falla 12 88 605 12 851 196 9 28 6 485503 Falla 13 88 605 12 851 196 9 28 6 389095 Falla 14 80 145 11 624 178 1 25 8 5644514 No falla 15 94 500 13 710 210 2 30 5 284893 Falla 16 88 605 12 851 196 9 28 6 248862 Falla 17 85 770 12 875 190 6 27 6 240303 Falla Coalescencia de grietas 18 85 770 12 875 190 6 27 6 994490 Falla 19 85 770 12 875 190 6 27 6 214885 Falla 20 85 770 12 875 190 6 27 6 1607851 Falla Empez en detalle figura 6 Falla Present una grieta en el 21 85 770 12 875 190 6 27 6 277211 cord n que empez en un poro Present coalescencia de grietas En el caso de las probetas 6 8 y 14 que fueron ensayadas en el segundo nivel de carga y no fallaron se examinaron mediante l quidos penetrantes despu s de ser retiradas de la m quina de ensayo a fatiga Estas no mostraron haber desarrollado grietas superficiales
9. Lim Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 p 31 41 ISSN 1815 5944 Art culo Original Evaluaci n del comportamiento a fatiga de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 Evaluation of the fatigue behaviour of a butt welded joint of AISI 1015 steel Pavel Michel Almaguer Zaldivar Roberto Andr s Estrada Cingualbres l Universidad de Holgu n Facultad de Ingenier a Centro de Estudios CAD CAM Holgu n Cuba Correo electr nico pavelOfacing uho edu cu Recibido 2 de mayo de 2014 Aceptado 14 de diciembre de 2014 Resumen Las uniones soldadas son un componente importante de una estructura por lo que siempre es necesario conocer la respuesta de las mismas sometidas a cargas c clicas El objetivo de este trabajo es obtener la curva S N de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 y electrodo E6013 como material de aporte Los ensayos a fatiga se realizaron de acuerdo a la norma ASTM en una m quina universal MTS810 Se utilizaron probetas de secci n rectangular El ciclo de carga fue asim trico a tracci n con un coeficiente de asimetr a de 0 1 Se obtuvo que la uni n estudiada tiene un l mite de resistencia a la fatiga de 178 MPa a un punto de corte de 2 039 093 ciclos Palabras claves uni n soldada fatiga curva S N AISI 1015 electrodo E6013 Abstract Welded joints are an important component in structures by this reason is necessary to know the behaviour of these elements under cyclic loads The
10. a falla en la ZAT La grieta se origina en el detalle se alado en la figura 6 a que fue identificado mediante los l quidos penetrantes A partir de este punto se comenz a desarrollar la grieta que fue creciendo mediante el conocido frente semiel ptico hasta alcanzar el tama o de grieta que provoca el fallo de la probeta Las observaciones mediante microscop a ptica y electr nica de barrido est n en las figuras 6 b y c respectivamente En ella se aprecia el defecto que tiene una forma inicial alargada con una longitud de estimada de 0 6923 mm y un ancho aproximado de 0 0385 mm aN Fig 6 a Defecto identificado mediante l quidos penetrantes donde se inici la grieta en la probeta 20 b Observaci n mediante MO de la zona de rotura por fatiga de la probeta 20 c Observaci n mediante SEM de la zona de inicio de la grieta en la probeta 20 De forma general es posible decir que en todas las probetas que se produjo el fallo ante la acci n de las cargas c clicas ocurri una grieta que se inici en un defecto y fue creciendo con un frente semiel ptico hasta que se romp a la probeta ensayada Se apreciaba claramente la zona donde se desarrollaba la grieta y la zona de rotura fr gil donde ten a lugar una extricci n debida a la sobrecarga est tica Discusi n Despu s de realizado el an lisis estad stico de los resultados de los ensayos a fatiga de la uni n soldada se procede a la presentaci n de los mismos seg n la norma
11. ci n Probeta para ensayos de tracci n transversal en uniones soldadas a tope NC 04 72 La Habana Cuba 1972 8 Peng Hsiang C Tso Liang T Numerical and experimental investigations on the fatigue evaluation of butt welded joints Metals and Materials International 2008 14 361 72 ISSN 2005 4149 DOI 10 3365 met mat 2008 06 361 9 Pyttel B Grawenhof P Berger C Application of different concepts for fatigue design of welded joints in rotating components in mechanical engineering International Journal of Fatigue 2012 34 35 46 ISSN 0142 1123 DOI 10 1016 j ijfatigue 2011 01 007 10 American Society fot Testing Materials ASTM Standard Test Method for Liquid Penetrant Examination Norma ASTM E 165 02 Estados Unidos ASTM International 2002 11 American Society fot Testing Materials ASTM Standard Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress Life S N and Strain Life M_ N Fatigue Data ASTM E 739 91 ASTM International 2004 12 American Society fot Testing Materials ASTM Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials ASTM E 468 90 ASTM International 2004 13 Baik B Yamada K Ishikawa T Fatigue crack propagation analysis for welded joint subjected to bending International Journal of Fatigue 2011 33 746 58 ISSN 0142 1123 DOI 10 1016 j ijfatigue 2010 12 002 14 Gaul H Weber G Rethmeier M Evaluation of fatigue crack propagation in sp
12. da WeldParam vali ndonos del Visual Basic para Aplicaciones que tiene incorporado el programa Microsoft Excel 2003 Con esta macro es posible calcular los carbonos equivalentes seg n diferentes criterios la Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 33 Evaluaci n del comportamiento a fatiga de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 temperatura de precalentamiento par metros del proceso de soldadura as como otros de ndole energ tico que son importantes en la realizaci n de la presente investigaci n Descargar el manual de usuario de la macro desde http www ingenieriamecanica cujae edu cu public descargas manual usuario macro WeldParam pdf y la macro desde http www ingenieriamecanica cujae edu cu public descargas macro tecn soldadura rar Los valores obtenidos de las diferentes magnitudes necesarias para realizar la soldadura fueron Intensidad de corriente 90 A 120 A Tensi n 24 V 26 V N mero de cordones 2 Velocidad de soldadura 59 57 mm min 79 42 mm min N mero de electrodos para elaborar una probeta 0 421 Tiempo total para elaborar una probeta 81 216 s 60 912 s M quina TRI ARC 504 Rectificador con capacidad entre 70 A 500 A y 23 V 40 V Uno de los factores que m s se tiene en cuenta es sin duda alguna la concentraci n de tensiones de manera local que tiene lugar en aquellos puntos donde existen cambios de secci n propios de la geometr
13. de dise o que permitan evaluar cualquier uni n 5 Como se aprecia la respuesta a fatiga de las uniones soldadas siempre es objeto de estudio de ingenieros e investigadores debido a la complejidad del fen meno y a la importancia y aplicaci n de estas uniones en los elementos de m quina y estructuras En este estudio se persigue como objetivo mostrar la curva S N para una uni n soldada a tope en la que se emplea el acero AISI 1015 como material base y el material de aportaci n es el electrodo E6013 M todos y Materiales Para realizar este estudio se emple un acero AISI 1015 como material base Este es un acero que posee una buena soldabilidad Las dimensiones del cord n de soldadura fueron tomadas de la norma cubana NC 08 06 82 Costura de las uniones soldadas Tipos y elementos del dise o 6 En la revisi n realizada antes de desarrollar este trabajo no se encontr una norma que rigiera la forma de las probetas para ensayos de tracci n c clica Por esta raz n se decidi utilizar probetas con forma de hueso de perro o dog bones Las dimensiones utilizadas para fabricar estas probetas ver Fig 1 fueron tomadas de la norma cubana NC 04 72 Probeta para ensayos de tracci n transversal en uniones soldadas a tope 7 Adem s en trabajos previos se hab a utilizado esta configuraci n geom trica 8 o similar sin el cambio de secci n 9 para el ensayo a fatiga de uniones soldadas a tope Se ensayaron 21 probetas que antes de ser s
14. defecto y comienzan a desarrollarse con un frente de grieta semiel ptico La zona de rotura fr gil que ocurre producto a la sobrecarga est tica de la probeta muestra una extricci n propia de la rotura de elementos sometidos a tracci n Solo se muestran las observaciones de las probetas 7 y 20 Probeta 7 La probeta fall al final de la ZAT La grieta comenz a desarrollarse en una gota de metal fundido El punto de inicio est se alado con una flecha roja en la figura 5 a Se observa la zona de crecimiento de la grieta y bien diferenciada por la textura y por la extricci n que ocurre en la zona donde se produce el fallo por sobrecarga est tica a tracci n Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 38 Pavel Michel Almaguer Zaldivar Roberto Estrada Cingualbres a Fig 5 a Observaci n mediante MO de la zona de rotura por fatiga de la probeta 7 b Observaci n mediante SEM del defecto donde se inicia la grieta de rotura por fatiga de la probeta 7 La zona donde se encuentra el punto de inicio de la grieta observada mediante SEM se muestra en la figura 5 b La grieta comienza a crecer a partir de un punto donde hab a quedado una peque a gota de metal de aportaci n la que al caer en este lugar y solidificarse provoc una discontinuidad geom trica que fue suficiente para generar la grieta de fatiga que se desarroll luego al ser aplicada las cargas variables en el tiempo Probeta 20 La probet
15. er ensayo es desconocida y de hecho puede ser bastante compleja en ciertas situaciones Para los prop sitos de simplificar el an lisis se supone en la pr ctica que se describe en 11 que el logaritmo del n mero de ciclos a fatiga sigue una distribuci n normal y que la varianza del logaritmo de la vida a fatiga es constante en todo el rango de la variable independiente es decir se asume que la dispersi n en el logaritmo de N es la misma tanto a bajos como a altos niveles de tensi n o deformaci n De manera general es posible relacionar la vida a fatiga con la tensi n del ciclo mediante la f rmula que sigue ver ecuaci n 2 logN A B S 2 Donde A y B son los coeficientes de ajuste de la ecuaci n El logaritmo de N se usa como la variable dependiente y se denota por Y mientras que la variable independiente se denota por Xy puede ser S log S o loge En este estudio se utilizar la tensi n m xima del ciclo que la llamaremos posteriormente Smax De acuerdo a lo planteado aqu la linealizaci n de la ecuaci n de la dependencia entre N y Smax toma la forma 11 ver ecuaci n 3 Y A BX 3 El tama o de la muestra k de acuerdo a la misma norma mencionada antes puede estar entre 12 y 24 para datos confiables 11 En esta investigaci n fue de 21 probetas ensayadas El porciento de replicaci n es igual al 81 Se le debe prestar atenci n a que el porciento de replicaci n indica que porci n de la cantidad de probeta
16. iga La l gica que se sigui para determinar los siguientes niveles de carga fue la siguiente se disminuy el valor de carga hasta que las probetas ensayadas igualaron o superaron el valor de 1 500 000 ciclos para los que se corresponde el l mite de resistencia a la fatiga en el caso de las uniones seg n la norma ASTM E 739 91 11 Para los ensayos se fij la raz n de asimetr a del ciclo R 0 1 La frecuencia de aplicaci n de la carga fue de 14 Hz Como criterio de fallo se utiliz el de fractura total El ensayo se interrump a cuando eran aplicados 1 500 000 ciclos de carga La temperatura del laboratorio era de 20 C 2 C Los ensayos se realizaron a 4 niveles de carga Esto obedeci a la forma en que se desarrollan los experimentos a fatiga Para obtener el l mite de resistencia a la fatiga se ensayan probetas a valores de carga que se van disminuyendo de manera emp rica hasta que varias probetas resistan el n mero de ciclos necesarios para considerar que se ha alcanzado dicho l mite Una vez establecido el mismo se procede a ensayar probetas a valores intermedios de carga para lograr el ajuste de la curva En nuestro caso despu s de estudiar el primer nivel de carga para el segundo se escogi aplicar una carga Pmax 28 5 KN Las probetas ensayadas con esa carga resistieron mayor cantidad de ciclos que los definidos para considerar el l mite de resistencia a la fatiga de uniones por lo tanto se fij que la tensi n que surg
17. igura 4 la curva S N de la uni n soldada ensayada en este trabajo La curva se obtuvo a partir de los datos experimentales procesados seg n 11 como se ha descrito en este trabajo La primera parte de la curva que ha sido ajustada mediante un modelo lineal muestra la ecuaci n de ajuste de la misma mientras que el punto de corte se encuentra para un valor de tensi n igual a 178 MPa y 2 039 093 ciclos Smax VS N 10000 100000 1000000 10000000 220 31 91 log N 11 77571624 0 031058404 x Smax Datos experimentales Varianza 0 39398 Banda exterior 95 m 210 Banda interior 95 30 46 D 2 Ecuaci n de ajuste x x 200 2900 E Y Y o 190 2756 E 5 Z L c 180 Tipo de ensayo Fatiga axial AeA 0 2 Uni n soldada a tope N 2 Material base Acero AISI 1015 Ss 170 Material de aporte Electrodo E6013 2466 F Frecuencia 14 Hz Temperatura laboratorio 20 C 2 C 160 23 21 10000 100000 1000000 10000000 N mero de ciclos N Fig 4 Curva S N de la uni n soldada estudiada An lisis fractogr fico Es de destacar que la forma de todas las roturas es similar La grieta siempre se inicia en un defecto que puede ser propio del material de los procesos de mecanizado para la fabricaci n de las probetas y los m s importantes en este aspecto los de la soldadura pues fueron los que m s influyeron en las fallas De forma general las grietas siempre se inician en el
18. la tensi n m xima es igual a 178 1 MPa La tabla 4 muestra los valores de los par metros del ciclo de carga y el n mero de ciclos de carga a las que fueron sometidas las diferentes probetas a este nivel Seg n se aprecia en la figura 3 solo se ensayaron 4 probetas en el segundo nivel de carga Para decidir esta cantidad de ensayos se consider que las probetas fallaron a una gran cantidad de ciclos superiores a los 1 500 000 incluso algunas no fallaron y por lo tanto se plantean los valores de tensiones y cargas a este nivel para caracterizar al l mite de resistencia a la fatiga de la uni n ensayada Es necesario entonces determinar los valores intermedios para la construcci n de la curva S N El tercer nivel de carga se realiz con una carga m xima Pmax 31 5 kN que provoc una tensi n m xima max 196 9 MPa Para el cuarto nivel de carga los par metros Pmax y max son iguales a 30 5 KN y 190 6 MPa respectivamente Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 37 Evaluaci n del comportamiento a fatiga de una uni n soldada a tope de acero AISI 1015 Con los ensayos realizados a la uni n soldada se construy una curva S N La expresi n que relaciona las tensiones y el n mero de ciclos es logN 11 775716240 0 031058404 x Smax que fue ajustada seg n un modelo lineal de acuerdo al procedimiento que se describe en la bibliograf a 7 Curva S N de la uni n ensayada A continuaci n se muestra en la f
19. nsayar con lo que se lograr a un mejor ajuste de la curva Referencias 1 Nikitin I Besel M Correlation between Residual Stress and Plastic Strain Amplitude during Low Cycle Fatigue of Mechanically Surface Treated Austenitic Stainless Steel AISI 304 and Ferritic Pearlitic Steel SAE 1045 Materials Science and Engineering A 2008 491 297 303 ISSN 0921 5093 DOI 10 1016 msea 2008 03 034 1 s2 0 50921509300803237 main pdf 2 Barsoum Z Lundb ck A Simplified FE welding simulation of fillet welds 3D effects on the formation residual stresses Engineering Failure Analysis 2009 16 16 2281 9 ISSN 1350 6307 3 Pakandam F Varvani Farahani A Fatigue damage assessment of various welded joints under uniaxial loading based on energy methods International Journal of Fatigue 2011 33 519 28 ISSN 0142 1123 DOI 10 1016 j ijfatigue 2010 09 019 4 Xiao ZG Tao Chen Zhao XL Fatigue strength evaluation of transverse fillet welded joints subjected to bending loads International Journal of Fatigue 2012 38 57 64 ISSN 0142 1123 DOI 10 1016 j ijfatigue 2011 11 013 5 Susmel L H A Modified W hler Curve Method and multiaxial fatigue assessment of thin welded joints International Journal of Fatigue 2012 43 30 42 ISSN 0142 1123 DOI 10 1016 j ijfatigue 2012 01 026 6 Oficina Nacional de Normalizaci n Costura de las uniones soldadas Tipos y elementos del dise o NC 08 06 82 La Habana Cuba 1982 7 Oficina Nacional de Normaliza
20. o o externo de hecho la propia geometr a del cord n ya constituye una discontinuidad geom trica que resulta ser un concentrador de esfuerzos Las tensiones residuales de soldadura tambi n influyen en la resistencia a fatiga de la uni n Es conocida la influencia del tratamiento t rmico post soldadura sobre el valor de estas tensiones logr ndose con el mismo un relajamiento en el valor de las mismas y por lo tanto un incremento de la vida en fatiga de la junta soldada Sin embargo los estudios de Nikitin y Besel 1 muestran que la relaci n existente entre la vida a fatiga de uniones soldadas y las tensiones residuales en el caso de aceros laminados AISI 304 as como el SAE 1045 no era significativa Los ensayos a fatiga realizados por Barsoum 2 mostraron que el tratamiento t rmico post soldadura a uniones de estructuras tubular no incrementaba la resistencia a la fatiga de la junta al relajarse tambi n las tensiones residuales de compresi n Pakandam y Varvani Farahani 3 evaluaron la respuesta a fatiga de diferentes uniones mediante m todos energ ticos Zhi et al estudiaron la fatiga de uniones soldadas mediante distintos m todos y compararon los resultados experimentales y num ricos buscando modelos para predecir el comportamiento de la uni n 4 Por otro lado Susmel y Askes estudiaron la fatiga de uniones mediante la curva de Wohler modificada y entre sus conclusiones est que es necesario proveer a los ingenieros de curvas
21. ometidas al ensayo a fatiga fueron evaluadas mediante inspecci n visual y despu s mediante el ensayo de l quidos penetrantes 10 No se detectaron defectos por los que fuera necesario desechar las probetas El material base que se utiliz para la soldadura se ten a en una plancha de 500 mm x 600 mm x 4 mm La uni n se realiz a tope sin preparaci n de bordes con cordones a ambos lados atendiendo a las dimensiones y forma propuestas en la figura 1 Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 32 Pavel Michel Almaguer Zaldivar Roberto Estrada Cingualbres 8 mm DES o O pam VAN La mm R5 Ll8 1 mm 4 mm 40 a b c d Fig 1 Geometr a de la probeta soldada a La junta se realiza sin preparaci n de bordes b Dimensiones de la probeta soldada c Isom trico d Probeta soldada para los ensayos a tracci n Para comprobar que el material utilizado en los experimentos fuera el acero AISI 1015 se realiz el an lisis qu mico de una muestra cuadrada de 5 cm de lado y 4 mm de espesor extra da del material base El an lisis se realiz en un cuant metro ARL 3460 En la tabla 1 se muestran los resultados de este an lisis para los principales elementos que permiten afirmar que el material utilizado es el acero en cuesti n Atendiendo al porcentaje de cada elemento de aleaci n presente en la muestra es posible corroborar que se trata del acero AISI 1015 La composici n qu mica del mate
22. ot welded joints by stiffness measurements International Journal of Fatigue 2011 33 740 5 ISSN 0142 1123 DOI 10 1016 j ijfatigue 2010 12 005 Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 41
23. que la probeta n mero 2 hab a resistido muy pocos ciclos solo 24 624 Por esta causa se decidi ensayar una probeta m s con una carga de 33 6 kN con el objetivo de disminuir la dispersi n en el valor medio de los ciclos Como la sexta probeta ensayada resisti 284 893 ciclos se logra un mejor ajuste de la curva en el primer nivel de carga N mero de ciclos que resistieron las probetas en el primer nivel de carga 610000 510000 2 2 nN g 410000 o 2 Q Y 310000 D E e gt S PAte alo G E LUVUUO y z 110000 10000 2 0 1 2345 55 Probeta No Fig 2 Dispersi n de los n meros de ciclos que resistieron las probetas en el primer nivel de carga En el segundo nivel sobrepasaron los 1 500 000 ciclos que se correspond a con el valor del n mero de ciclos determinado para detener cada experimento Luego los niveles 3 y 4 se utilizaron para ajustar los valores intermedios de la curva La tabla 3 muestra los valores de los par metros de cada ciclo a los que se realizaron los ensayos Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 36 Pavel Michel Almaguer Zaldivar Roberto Estrada Cingualbres Tabla 3 Par metros de los ciclos de carga para los diferentes niveles a los que se realizaron los ensayos a fatiga Par metro 7 gt Mivel 3 4 Carga m xima Pax KN 33 60 28 500 31 500 30 500 Carga m nima P in KN 3 36 2 850 3 150 3 050 Carga media P 4 KN 18
24. rial base seg n la bibliograf a est en la tabla 1 mientras que las propiedades mec nicas se encuentran en la tabla 2 Tabla 1 Composici n qu mica del acero AISI 1015 http www matweb com Acero AISI 1015 Elementos Composici n Carbono Manganeso Silicio Azufre F sforo T pica 0 13 0 18 0 30 0 60 0 17 0 37 lt 0 05 lt 0 04 Medida 0 166 090 0 504 210 0 027 460 0 005 780 0 013 850 Tabla 2 Propiedades mec nicas del acero AISI 1015 http www matweb com Propiedades Material 0 O O u w MPa MPa MPa AISI 1015 420 315 230 0 29 39 61 E6013 431 510 392 20 28 35 60 Para realizar las uniones soldadas se utiliz el proceso de soldadura manual por arco el ctrico El electrodo utilizado es el E6013 La tabla 2 tambi n muestra las propiedades mec nicas del dep sito Las propiedades mec nicas mostradas se obtuvieron de los datos proporcionados por el fabricante en el envase de los electrodos Como se aprecia en la primera de ellas la resistencia mec nica de este material de aporte es algo superior que la del material base referida en la misma tabla por lo tanto la selecci n de este electrodo es posible Se eligi el di metro del electrodo de 3 2 mm y se efect o una pasada por cada lado de la uni n Para determinar los par metros del proceso de soldadura se elabor una macro denomina
25. s ensayadas puede ser usada para obtener una estimaci n de la variabilidad de los ensayos replicados En la bibliograf a 11 plantean que debe estar entre 75 y 88 porciento El valor calculado en esta investigaci n corresponde a 17 01 probetas Como sea se realizaron las estimaciones en base a las 21 probetas ensayadas Los estimadores para los coeficientes de la ecuaci n 3 se determinaron mediante las expresiones siguientes ecuaciones 4 y 5 Y X 4 M x 3 Y K 5 B Il gt x 3 Los s mbolos casquete 4 y barra superior significan estimador y valor medio respectivamente Los valores de los estimadores as calculados son 11 775 716 240 y B 0 031 058 404 Sustituyendo estos valores en la expresi n 2 se obtiene la ecuaci n que relaciona el n mero de ciclos N y la tensi n m xima del ciclo Smax ver ecuaci n 6 log N 11 77571624 0 03 1058404 x Sp 6 La varianza del logaritmo del n mero de ciclos es 4 0 393 980 430 Los intervalos de confianza para los valores de A y B pueden ser establecidos usando la distribuci n t que aparece en la referencia 7 Los intervalos de confianza as determinados son los siguientes Para el estimador de A 8 623 104 537 14 928 327 930 Para el estimador de B 0 047 148 940 0 014 967 8701 Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 35 Evaluaci n del comportamiento a fatiga
26. tambi n en el nivel 4 resisti 1 607 851 ciclos o sea sobrepas el n mero de ciclos base que se plantea en la norma ASTM E 739 91 11 para las uniones La causa principal de esto se debe al proceso de soldeo empleado que fue de soldadura manual por arco el ctrico Como es sabido este proceso depende Ingenier a Mec nica Vol 18 No 1 enero abril 2015 ISSN 1815 5944 40 Pavel Michel Almaguer Zaldivar Roberto Estrada Cingualbres en gran medida del operario y por lo tanto es m s probable que aparezcan diferencias entre una uni n y otra lo que no sucede en los procesos automatizados Las grietas de fatiga siempre comenzaron en un defecto Este defecto al ser una discontinuidad geom trica se comportaba como un concentrador de tensiones en el que nucleaba la grieta Luego se desarrollaron siguiendo un frente de grieta semiel ptico que tambi n fue observado por otros autores hasta que ocurr a la rotura al agotarse la capacidad resistente de la uni n por la disminuci n del rea de la secci n transversal En la zona donde ten a lugar la rotura final se apreci una extricci n caracter stica de la rotura por tracci n est tica o sea se aprecia que el fallo final ten a lugar por la sobrecarga est tica cuando la grieta crec a y por ende disminu an las dimensiones transversales de la probeta Se demostr que dada la gran dispersi n de los resultados en cada nivel de carga es necesario aumentar la cantidad de probetas a e
Download Pdf Manuals
Related Search