TRADUCCION PAPER PAPER SOLIDOS 2 INTRODUCCION Los aceros inoxidables austeníticos son amliamente utili!ados en alicaciones industriales a altas temeraturas debido a su alta resistencia a la corrosi"n # la $uencia% Sin embar&o' la alicaci"n de la rueba con(encional tiene al&unas des(enta)as debido a su tama*o de la muestra' +ue no se uede extraer de los comonentes en ser(icio% Por lo tanto' el uso de ruebas mec,nico miniaturi!ado -a con(ertido en una necesidad ara &estionar la e(a. luaci"n de las roiedades de los materiales% La rueba Small Punc- /SP0 es un m1todo de ensa#o mec,nico miniaturi!ado +ue emlea un tama*o de los -ombres esecicado de aroximadamente 34 x 34 x 4'5 mm% Este es1cimen es su)etada en un accesorio # u*eta!os' -asta (arios mi. limeters' con un enetrador es61rico /Saucedo.7u*o! et al%' 24489 Cuesta et e t al%' 24340% El l,stico de6or. roceso maci"n del material se caracteri!a or el control de la desla!amiento de la unta de la muestra como una 6unci"n de la 6uer!a alicada% El tama*o de la muestra es una (enta)a considerable' en comaraci"n con la rueba con(encional' con el n de e(aluar las roiedades mec,nicas de las muestras situadas en los comonentes de ser(icio in. industriales e incluso de ,reas e+ue*as' tales como las !onas a6ectadas or el calor en las soldaduras% Este tama*o ortamuestras causa un da*o menor en los comonentes industriales% Por otra arte' la rueba de SP es un m1todo simle de IN: Test. con un costo relati(amente ba)o% El m1todo m1 todo SP Ex,menes se uede alicar ara e(aluar las roiedades mec,nicas en condiciones extremas9 es decir' la rueba de SP se uede lle(ar a cabo a temeraturas crio&1nicas' las temeraturas ambiente e incluso a altas temeraturas% La muestra de ensa#o SP est,n ba)o un estado biaxial de estr1s' lo +ue odría ser m,s adecuado +ue la tensi"n uniaxial de la ma#oría de las ruebas con(encionales ara e(aluar las roiedades del material en los estados de estr1s similares de los comonentes reales en ser(icio% ser(i cio% La e(aluaci"n de la condici"n microestructural de comonentes de alta temeratura se reali!a a menudo de 6orma no destructi(a or m1todos indirectos' tales como la relicaci"n metal;r&icas o de ensa#o de dure!a% Estos rocedimientos ueden roorcionar una orientaci"n ;til sobre el estado de da*o' ero no es con 6recuencia una necesidad ara la medici"n directa de la $uencia # otras roiedades mec,nicas% La rueba re+uerida entonces necesita la eliminaci"n de material de ubicaciones comonente esecíco% Sin embar&o' la extracci"n de una muestra lo sucientemente &rande como ara roducir un es1cimen de rueba tíicos uniaxial tiene el incon(eniente de +ue una rearaci"n de soldadura normalmente debe lle(arse a cabo% Esta rearaci"n uede a6ectar ne&ati(amente a la inte&ridad estructural de la estructura e structura restante% Por lo tanto' el uso de
e+ue*as muestras en el la e(aluaci"n del comortamiento de $uencia es esencial%
ames /3??@0 e)emlares de discos utili!ados ara e(aluaci"n comieron las roiedades de $uencia en el acero de ba)a aleaci"n 6errítica% oma!a=i et al% /24440 alicaron la t1cnica de ensa#o de $uencia SP utili!ando miniaturi!ado esecímenes de e(a. comieron las roiedades de $uencia # deterioro del material de acero 6errítico Cr ?B de tun&steno aleado% Saucedo. 7u*o! et al% /24420 utili!aron la rueba de er6oraci"n e+ue*a $uencia ara e(aluar correctamente las roiedades de $uencia de los tubos de caldera en ser(icio del SUS 83 T acero inoxidable austenítico% ou et al% /24380 determinaron las roiedades de $uencia en acero erlítica or la e+ue*a rueba de er6oraci"n a la $uencia% I!a=i et al% /244?0 alicaron esta rueba ara la e(aluaci"n de la (ida de $uencia de los aceros de tuberías de la caldera% E(ans # Fan& /244G0 utili!an m1todos num1ricos ara los anali!adores in& la e+ue*a rueba de er6oraci"n a la $uencia% C-en et al% /24340 emle" el m1todo de elementos nitos ara el an,lisis de este texto ara obtener ar,metros de $uencia% oma!a=i et al% /244?0 anali!aron la in$uencia de di6erentes 6actores de de. tecci"n del en esta rueba% Por ;ltimo' 7at-eH et al% /243@0 robaron la resistencia a la $uencia de los aceros inoxidables austeníticos +ue contienen nitr"&eno or este m1todo de rueba en miniatura% Los rinciales resultados de estos estudios 6ueron caaces de describir el comortamiento de $uencia b,sico descrito or un texto uniaxial con(encional' así como de se&uir las relaciones b,sicas de $uencia utili!ados ara caracteri!ar el comortamiento de $uencia% Por otra arte' estas obras -an sido caaces de armados relaciones entre los ar,metros de $uencia de rueba de er6oraci"n e+ue*a $uencia # a+uellos cia corresondientes a la rueba de $uencia con(encional con el n de e(aluar con ma#or recisi"n el da*o se ori&in" en condiciones de $uencia en los comonentes industriales% Este traba)o tiene el ro"sito de mostrar la alicaci"n de la rueba de er6oraci"n e+ue*a $uencia sobre la e(aluaci"n del comortamiento de de6ormaci"n l,stica en un acero inoxidable austenítico 83 a temeraturas entre 54 # 44 J C' #a +ue estas temeraturas son comunes durante el 6uncionamiento de los di6erentes comonentes industriales % 2% DATOS EKPERI7ENTALES Un acero inoxidable austenítico 83 se utili!" ara estudiar el comortamiento de $uencia # su comosici"n +uímica es como se muestra en la Tabla 3% La condici"n de este acero se recibe AS' soluci"n tratada # se inacti("% El ensa#o de $uencia e+ue*o un!"n se lle(" a cabo usando un medidor de $uencia se muestra en la &ura 3' (1ase ara m,s detalles oma!a=i et al% /24440% Este consiste en una barra delantero' &oleador de al;mina' bola de al;mina de 2'@ mm de di,metro' titular de ortamuestras'
con la instrumentaci"n asociada ara la car&a' la oxidaci"n de rueba # ad+uisici"n de datos% Las muestras de 34 x 34 x 4'8 mm 4'442 mm 6ueron c-isa corte% Este esesor se seleccion" con el n de reducir el tiemo de rueba% La suercie de la muestra se moli" de ambos lados utili!ando ael de li)a -asta el &rado &rano 3444% La car&a de rueba se mantu(o constante col&ando un eso a tra(1s de una alanca% Las ruebas se mente se reali!an or dulicado a 54 J C con car&as de 28@' 2G' 88G # @4G N' 5 J C utili!ando car&as de 28@' 88G # 532 N # 44 J C emleando car&as de 3?? # 28@ N ba)o una atm"s6era de ar&"n % Estas temeraturas de rueba 6ueron esco&idos or+ue corresonden Tabla 3% Comosici"n +uímica del acero a las temeraturas de oeraci"n utili!ados en (arios comonentes industriales /7ariscal' 3?G@0% Los ni(eles de car&a a cada temeratura se eli&ieron con el n de reroducir las rinciales características de las cur(as de $uencia% La de$exi"n de la muestra se control" en la arte central midiendo el desla!amiento de una (arilla de cuar!o utili!ando un transductor di6erencial lineal (ariable% Las muestras anali!adas # suercies de 6ractura se obser(aron con un SE7 a 35 =<% La caracteri!aci"n microestructural de estas muestras se lle(" a cabo mediante la rearaci"n &r,co metalo.' &rabado con el reacti(o
8% RESULTADOS 8%3% comortamiento de $uencia Las arcelas tíicos de de6lexi"n central de 6rente al tiemo ara el acero inoxidable austenítico 83' desu1s de la rueba SP $uencia a 54' 5 # 44 J C' se muestran en la i&ura 2 /a.c0' resecti(amente% Las cur(as de la rueba de $uencia SP son mu# similares a los del ensa#o de $uencia axial uni6orme con(encional% Tres etaas se ueden obser(ar claramente en las cur(as ara todos los esecímenes ensa#ados% Es decir' la $uencia rimaria es reconocido or la disminuci"n de la endiente de la cur(a de $uencia9 la $uencia secundaria etaas con una (elocidad de $uencia casi constante # la aceleraci"n de $uencia terciaria etaa +ue marca la 6ractura nal en tr tiemo de rutura% Es e(idente a artir de estas &uras +ue las cur(as de la rueba de $uencia SP cambiar su 6orma como una 6unci"n de la car&a de rueba de una manera similar como en los ensa#os de $uencia uniaxial% i&ura 2 /a.c0 muestra claramente +ue la lon&itud de la etaa # el tiemo de rutura disminuci"n tr secundario.$uencia se&;n aumenta la car&a de rueba% Estos tambi1n disminu#en con la temeratura de ensa#o ara la misma car&a de rueba% Con car&as decrecientes' las dos rimeras etaas se (uel(en claramente denidos' or lo &eneral a exensas de la etaa terciaria%
La i&ura 8 /ac0 muestra los &r,cos de la $uencia de$exi"n t r c como una 6unci"n de la 6racci"n de la (ida de $uencia t tr ara el acero robado en 54' 5 # 44 J C' resecti(amente' corresondientes a las cur(as +ue se muestran en la i&ura 2 / ac0' resecti(amente% La de$exi"n de $uencia se dene mediante la si&uiente ecuaci"n ECUACION 9
δcQδδi
donde δ es la de$exi"n central # δi la de$exi"n instant,NEA.' +ue corresonde a la de6ormaci"n el,stica # l,stica inmediatamente desu1s de la car&a% La de$exi"n l,stica es r,cticamente indeendiente de los Ensa#os de car&a IN: a 54 J C% En contraste' la de$exi"n de $uencia aumenta con la car&a de rueba en ruebas de temeraturas de 5 # 44 J C' siendo la ;ltima la +ue tiene la ma#or de$exi"n central% 8%2% 7or6olo&ía # 6ractura de la suercie de las muestras de $uencia e+ue*o un!"n La mor6olo&ía de e+ue*o un!"n se muestra en la i&ura @ /A # 0 ara las muestras ensa#adas a 54 J C # 44 J C con una car&a de 28@ N% En &eneral' todas las muestras de SP.C mostr" una suercie de la muestra # -emis61rica la 6ractura se rodu)o a lo lar&o de la circun6erencia' donde la de6ormaci"n e+ui(alente era el m,s &rande% La di6erencia en el modo de 6allo entre estas muestras se uede areciar obser(ando la secci"n trans(ersal de la muestra cerca de la cara de la 6ractura suercie' como se mostrar, m,s adelante% La ro. roceso de de6ormaci"n de las muestras se lle(a a cabo rimero or la $exi"n de la muestra' donde un r,ido aumento en el ,rea de contacto entre la bola # la muestra de suercie cara ocurre' # lue&o el estiramiento de la !ona de contacto' donde el aumento de de$exi"n central es redominante% La mor6olo&ía 6racaso ara el acero a rueba' corresondiente a la &ura @ /a # b0' se muestra en i&ura 5 /a # b0' resecti(amente% Estas 6oto&ra6ías 6ueron tomadas con la secci"n trans(ersal de las robetas SP $uencia rotos% Se obser(" un modo de 6allo inter&ranular +ue se rodu!ca de este es1cimen con una e+ue*a disminuci"n en el esesor /i&% 5a0% El modo de 6allo se rodu)o a tra(1s de los límites de &rano de austenita% Este es1cimen muestra una e+ue*a reducci"n en el esesor +ue su&iere una ba)a ductilidad% Este característico de la 6ractura or 6ra&ilidad es resonsable de la menor ductilidad de este acero durante la e+ue*a rueba de $uencia a 54 J C% Por otra arte' el modo de 6allo ara el es1cimen ensa#" a 44 J C con una car&a% de 28@ N se rodu)o de una manera d;ctil inter&ranular /i&% 5b0% Este es1cimen muestra una &ran reducci"n de esesor' +ue imlica m,s ductilidad% Se obser(" +ue este tio de modo de 6allo +ue se rodu!ca en el es1cimen robado a 5 # 44 J C' indeendientemente del ni(el de car&a de la rueba%
8%8% Caracteri!aci"n microestructural de las muestras de $uencia e+ue*o un!"n La microestructura del acero como se recibe se muestra en la i&ura a' +ue muestra la resencia de la matri! de austenita sin nin&;n rastro de reciitaci"n% Por el contrario' las micro&ra6ías SE7 de e+ue*as muestras de $uencia de er6oraci"n ensa#aron a 54 # 44 J C con una car&a de 28@ N sobre todo mostrar la reciitaci"n de &ranos aries teras' la i&ura /b # c0' resecti(amente9 sin embar&o' al&unos reciitados tambi1n se obser(an dentro de los &ranos de austenita% La reciitaci"n de límite de &rano es m,s abundante ara el es1cimen robado a 44 J C% El atr"n de di6racci"n de ra#os K de los residuos' extraído de edad de acero a 54 J C durante @4 -oras' se muestra en la i&ura # +ue indica +ue todos los icos de di6racci"n corresonden a Cr28C carburo +ue est, de acuerdo con el tiemo' temeratura # reciitaci"n /TTP0 reortados en la literatura /NRI7' 24480% Este dia&rama redice la rimera reciitaci"n límite de &rano de carburo de Cr28C # lue&o se&uido or el sanea. reci. de la 6ase η /e27o0 en muestras de edad de acero a temeraturas entre 54 # 54 J C ara los tiemos de 3 a 3%444 -oras% @% DISCUSIN @%3% comortamiento de $uencia Se indic" en la secci"n anterior +ue las rinciales características de la rueba de $uencia uniaxial con(encional se reroducen de manera adecuada con la e+ue*a rueba de er6oraci"n $uencia /i&% 2a.c0% Es decir' las tres etaas de la $uencia est,n claramente identicados% Por e)emlo' la i&ura Ga muestra el &r,co de la (elocidad de $uencia e+ue*a δ T contra el tiemo # se uede se obser(a +ue la (elocidad de $uencia disminu#e con el tiemo #' a continuaci"n alcan!a su (alor mínimo # nalmente aumenta r,idamente -asta +ue la rutura se lle(a a cabo' de acuerdo con las tres etaas de la $uencia% La tasa mínima e+ue*o un!"n $uencia disminu#e con la disminuci"n de la car&a La i&ura Gb muestra la &r,ca de la car&a de la rueba contra el tiemo ara romer tr ara el acero a rueba a 54 J C # se uede notar +ue el tiemo a la rutura disminu#e con el aumento en el ni(el de car&a de rueba% Este comor. tamiento se -a in6ormado /Dobes # 7ilic=a' 244?0 ara se&uir la si&uiente relaci"n de le# exonencial m t Α r c σ =
donde Ac es un (alor constante% En el caso de la e+ue*a rueba de er6oraci"n de este traba)o' se obser(" una relaci"n similar a se&uir # se uede exresar como si&ue t
− 4%2
Αs F
r =
Tomando los datos de re6erencia /NRI7' 3?G0' el exonente m de la ecuaci"n% /20 se determin" +ue era aroximadamente .4%23 ara la rueba uniaxial con(encional' +ue est, en buen acuerdo con el (alor de .4%2 or la Ec% /80% Este tio de relaci"n ara la rueba de er6oraci"n e+ue*a $uencia -a sido reortado en otros traba)os /Dobes # 7ilic=a' 244?0% Todas las características anteriores se obser(an com;nmente en las cur(as de $uencia corresondientes al ensa#o de $uencia con(encional% luencia es un roceso acti(ado t1rmicamente # se esera +ue si&a una exresi"n de tio Arr-enius con una ener&ía de acti(aci"n característica ara el mecanismo de control de (elocidad% La le# de otencia se uede escribir de la si&uiente manera /oma!a=i et al%' 24440 ε T
n
=A0 σ exp (-Q/RT)
donde A4 # n son constantes' ε T la relaci"n de $uencia en la etaa secundaria' σ la tensi"n # R la constante uni(ersal de los &ases% El exonente n uede determinarse a artir de la endiente de una línea recta +ue resulta en la trama de $uencia tasa contra el estr1s% En este traba)o' la relaci"n de $uencia e+ue*o un!"n δ T en la etaa secundaria # car&a se utili!a en lu&ar de la relaci"n de $uencia # la tensi"n ε T σ ' como se muestra en la i&ura ?a% El exonente de car&a nSP.C se determin" +ue era aroximadamente @'% Es decir' la Ec% /@0 uede reescribirse ara el e+ue*o ensa#o de $uencia un!"n de la si&uiente manera T δ T
=ASP F 4.7
donde ASP es una constante% La ecuaci"n /50 se -a demostrado ara ser se&uido or la rueba de er6oraci"n e+ue*a $uencia en (arios traba)os /Par=er # >ames' 3??@9 oma!a=i et al' 24449% Saucedo.7u*o! et al%' 24420% En &eneral' un (alor de n e+ue*a' 8.5' indica +ue el roceso de de6ormaci"n ro&resi(a es controlado or un &rano obli&ados. ar# desli!ante% Por el contrario' un (alor n &rande' G.32' est, resente ara un roceso de de6ormaci"n trans&ranular controlado /
Es bien conocido # acetado +ue existe una relaci"n entre la (elocidad de $uencia # el tiemo de ruturas tura' tr' conocida como la relaci"n 7on=man.:rant /Dieter' 3?GG0' +ue establece +ue la tasa mínima de $uencia ε T es in(ersamente roorcional a la (ida 6racaso log t r+ log ε T = !
donde C # son constantes ara una aleaci"n dada% La &ura ?b muestra el &r,co de lo&.lo& de la e+ue*a (elocidad de $uencia un!"n # el tiemo ara la rutura # una lineal relaci"n uede obser(arse +ue muestra +ue la relaci"n 7on=man.conceder a los Estados ara este caso # es como si&ue lo& tr V 3%38G@ lo& δ T Q V3%3?G Este tio de exresi"n se -a in6ormado de +ue se utili!ada en la e(aluaci"n de las roiedades de $uencia ara los di6erentes materiales de los ensa#os de $uencia e+ue*o un!"n /ou et al%' 24380% La deendencia de la temeratura de la e+ue*a comortamiento un!"n cree ara las car&as de rueba de 3?? # 28@ N se muestra en la i&ura ?c% La ener&ía de acti(aci"n aarente ara la e+ue*a de6ormaci"n ro&resi(a' SP.C' uede obtenerse a artir de la endiente de las líneas rectas en esta &ura # se determina +ue es aroximadamente 35 a 245 => mol.3% Los untos de datos de la i&ura ?c arecen no ser suciente9 sin embar&o' la ener&ía de acti(aci"n ara la red # de límite de &rano de di6usi"n se -a in6ormado /rost # As-b#' 3?G20 ara ser 254 # 34 a 244 => mol.3' resecti(amente% Esta comaraci"n &estas su&e. +ue la ener&ía de acti(aci"n de este traba)o es similar a la corresondiente a la di6usi"n del límite de &rano% @%2% mecanismo de $uencia El (alor nSP.C de alrededor de 5 indica +ue el límite de &rano de desli!amiento es el roceso de de6ormaci"n rincial durante el ensa#o de $uencia e+ue*o &ole a temeraturas de 54' 5 # 44 J C% Adem,s' la ener&ía de acti(aci"n' 35.245 => mol.3' ara el roceso de de6ormaci"n es similar a la de ara la ener&ía de acti(aci"n de la di6usi"n del límite de &rano% Estas características est,n en buen acuerdo con el 6racaso inter&ranular obser(ada en esecímenes resentes de traba)o /i&% 5a # b0% Adem,s' se uede obser(ar la resencia de ronda o ca(idades elíticas /(1ase' or e)emlo al&unos de ellos indicado or las $ec-as en estas &uras0' 6ormados en los bordes de &rano /&rietas de tio R0' +ue se asocian &eneralmente con el desla!amiento de límite de &rano /7ars-al ' 3?G@0% Se -a in6ormado de /7ars-al' 3?G@0 de +ue el comortamiento de $uencia or la rueba con(encional a 44 J C +ue la (elocidad de $uencia de la 83 de acero re(iamente edad es muc-o m,s r,ido +ue el de la soluci"n tratada o acero sin en(e)ecer% Adem,s' el modo de 6allo era tran&ranular en
la edad de acero # inter&ranular en el acero tratado soluci"n% Una exlicaci"n adecuada ara este comortamiento es +ue taci"n el límite de &rano &rueso reciitado en la edad de acero imide +ue el límite de &rano de desli!amiento # or lo tanto in-ibe la 6ractura inter&ranular% Por el contrario' el inicio de la reciitaci"n de límite de &rano reduce la concentraci"n de elementos en soluci"n s"lida minimi!ando así la colocaci"n de cla(os de dislocaciones durante la $uencia de carbono o% Adem,s' las re&iones ad#acentes a los límites de &rano ueden ser desnudas en soluto' +ue los -ace m,s d1bil # suscetible a la de6ormaci"n l,stica local en una 6orma inter&ranular% La &ura /b # c0 muestra una mu# na la reciitaci"n de carburos' +ue arece no ser suciente ara e(itar el límite de &rano de desli!amiento en la obra ent resi"n% Adem,s' /Saucedo. 7u*o! et al%' 24420 -an in6ormado de (arios estudios +ue el (alor del exonente n cambios en G.32 ara roceso de de6ormaci"n tran&ranular controlada en el acero 83 Tio de edad 5% CONCLUSIONES Se alic" la rueba de er6oraci"n e+ue*a $uencia ara caracteri!ar el comortamiento de $uencia de un acero austenítico 83 tio # las conclusiones son las si&uientes . La e+ue*a rueba de er6oraci"n $uencia nos ermite rero. ducir las rinciales características obser(adas en la cur(a de $uencia de la rueba uniaxial con(encional' así como las rinciales relaciones entre los ar,metros de $uencia% . El mecanismo de $uencia de acero tio 83 a 54 J C imlica el límite de &rano de desli!amiento' como se indica or el (alor n exonente de alrededor de 5 # el modo de 6allo &ranular inter. obser(ado en las muestras de $uencia e+ue*a er6oradas robadas% .(atioTn-eenaecrt&i# ara el roceso de de6ormaci"n se determin" +ue era aroximadamente 35.244 => mol.3' +ue es cercano al (alor reortado ara la di6usi"n del límite de &rano% EKPRESIONES DE :RATITUD Los autores desean a&radecer el ao#o nanciero del SIP # el CONACWT%