ENSAYO DE FRACTURA
OBJETIVO El objetivo del ensayo es el cálculo del coeficiente de tenacidad a fractura, que se define como el valor límite del factor de intensidad de tensiones por encima del cual se produce la fractura. Dicho coeficiente depende del tipo de fractura, de la temperatura, de la geometría de la pieza y del estado de tensiones en el borde de la grieta (deformación plana o tensión plana). Para el cálculo usaremos la norma ASTM E399, para materiales metálicos en deformación plana y con comportamiento elástico lineal. Existen otras normas, como la B645-02, para probetas que no cumplan los requisitos o algunos de los de la norma anterior, o la norma E1820-06 también para medir tenacidad a fractura.
MATERIAL Y PROBETA La norma nos indica el tipo de probeta a usar según el requerimiento, por ejemplo si queremos que el ensayo sea efectivo tendremos que usar una probeta Chevron, que asegura que en el crecimiento de la grieta no haya plastificación, pero es mas difícil de realizar. Para nuestro ensayo como no necesitaremos tanta precisión debido a que en caso de fallo no tiene una repercusión importante, usaremos una probeta COMPACT cuyas dimensiones y características especificamos en la hoja de trabajo. La probeta es de aluminio Al-7075-T651 con orientación del plano de la grieta de código LT. Al ser de gran espesor podemos aproximar a que estamos en deformación plana.
PRECRECIMIENTO Cuando la grieta alcanza cierta longitud, el efecto de la entalla (concentrador de tensiones) es despreciable frente al efecto de la grieta. Este es el objetivo que persigue el precrecimiento.
En la norma se indica como hacerlo, de forma que hay que aplicar una carga cíclica, inicialmente aplicando un 50% de la carga inicial de rotura estimada (que se obtiene de formularios teóricos si no tenemos experiencia en ensayos parecidos). Se debe aplicar una carga inicial para evitar el efecto de “golpeo” por compresión-tracción. Durante todo el proceso las cargas no deben ser demasiado altas, pues siempre queremos tener poca zona donde se produzca plastificación. En el precrecimiento debemos mantener el factor de intensidad de tensiones por debajo del 80% del valor de tenacidad a fractura, que es el valor de K a partir del cual empieza el crecimiento inestable de la grieta. El K 1C estimado del AL 7075-T6 que podemos ver en algunos manuales esta entre 20-60 MPa*m1/2. Posteriormente procedemos a realizar el precrecimiento secundario (K<0.6* K 1C) a menor carga hasta que la grieta alcance una longitud que se calcula también según la norma, dependiendo de las dimensiones de la probeta. La frecuencia de aplicación de la carga también viene especificada por la norma. Si la grieta se desvía o crece más de la longitud especificada, habrá que cambiar de probeta. Tenemos que asegurar que la zona plástica que sea menor que con K 1C en el precrecimiento ya que la zona plástica retrasa el crecimiento de la grieta. Para comprobar que domina la deformación plana, el espesor de la probeta tiene que ser como mínimo 2.5*( K 1C / σ ) 2 . ( σ = tensión de fluencia). y
y
La importancia de que el ensayo se realice en condiciones de deformación plana es que es el caso más desfavorable desde el punto de vista del crecimiento inestable de la grieta. Según la norma el espesor mínimo para que se verifique las condiciones de deformación plana es de 9 mm pero la probeta usada es de 25 mm cumpliéndose dicha hipótesis.
ROTURA Antes de proceder a la rotura debemos tener en cuenta la dirección de laminación de la pieza con respecto al plano de crecimiento de la grieta, pues dependiendo de la dirección de los granos de ésta, le costará más o menos propagarse. En nuestro libro de trabajo hemos señalizado dicha orientación de acuerdo a la norma correspondiendo a la dirección T-L, en la cual la dirección de propagación y de laminado son paralelas.
Colocamos la probeta en la maquina mediante un dispositivo de alineamiento CLEVIS y a continuación tensamos antes de comenzar a medir la elongación para que en la gráfica no aparezca un salto. En la fase final de la rotura el valor de K debe estar por debajo del 70% de la tenacidad a fractura. Para medir la deformación utilizamos un extensómetro digital. Todo el utillaje empleado se puede construir siguiendo la norma, que también nos describe las sujeciones de la máquina de ensayo para las probetas.
POSTERIOR A LA ROTURA Posteriormente a haber realizado el ensayo veremos que la zona de fractura es en su mayor parte plana, gracias a que prácticamente nos encontramos en un caso de deformación plana. Si por el contrario viésemos que posee mucha zona con inclinación no podríamos considerar el ensayo por válido, y no se habría producido deformación plana. También tenemos que comprobar que la zona de precrecimiento de la grieta no tenga demasiada curvatura. En nuestro caso la curvatura es correcta, esto significa que las tensiones a lo ancho de la probeta han sido aproximadamente uniformes, que no se han producido, en la superficie de la pieza, concentraciones.
GRÁFICAS Y CÁLCULOS Tensión-deformación experimental del ensayo
Tensión-deformación (Zoom en P 5)
Punto de corte recta 95%-curva: 0.5675 de deformación y 18177 KN de tensión.
P5 (KN)
PQ (KN)
Pmáximo(KN)
18177
18177
18275
Datos de ensayo-Precrecimiento Marcas para grieta
Carga inicial
Carga en tramo final
Número ciclos
0.55*W B*tg10º K estimado (tablas) a/W f(a/W) Tipo compact: P Carga máxima inicial Carga mínima inicial 0.5*Kestimado 0.00032 E Kmínimo Tipo compact: P Carga máxima (último tramo) Carga mínima (último tramo) Número de ciclos en precrecimiento
27.5 mm 4.4 mm 29 MPa*m1/2 0.42 7.69 21.0812 KN 9000 N 900 N 14.5 MPa*m1/2 22.784 MPa 14.5 50.886 KN 6000 N 600 N 18547
Carga máxima de rotura
18.33 KN
Velocidad de ensayo
0.5 KN/s
Medida de la longitud de la grieta tras la fractura a1 a2 a3 0.1 a a2 - a1 a3 - a1 a2 – a3 aS1 as2 as2 – a as1 - a as1 - as2
3.50 mm 3.75 mm 3.85 mm 0.37 mm 0.25 mm 0.35 mm -0.10 mm
a
2.80 mm 2.70 mm -1 mm <0.15a -0.9 mm <0.15a -0.1 mm <0.15a
3.70 mm ¿Cumple? SI SI SI ¿Cumple? NO NO SI
NOTA: A la vista de la tabla observamos que no se cumplen dos de los requisitos y tendríamos que volver a realizar el ensayo.
Cálculo Validez del ensayo Para ensayo válido
Resultados Comprobación
P5 (KN) PQ (KN) Pmáximo(KN)/ PQ (KN) Pmax / Pq <1.1 K Q 2.5* (K Q/ σ ys)^2 ¿2.5* (K Q/ σ ys)^2
2.5* (K 1C/ σ ys)^2
18177 N 18290 N 1.006217 Válido 25.1603 MPa*m 1/2 0.0064 SI SI 0.4168
La norma nos dice que la tenacidad a fractura del material será: K 1C = (PQ/(BW0.5)) f(a/W)= 25.1603 MPam0,5 Para comprobar que domina la deformación plana, el espesor de la probeta tiene que ser como mínimo 2.5* (K 1C/ σ ys) ^2. ( σ = tensión de fluencia). y
B=0.025>2.5* (K 1C/ σ ys) ^2=0.0064
Se cumple
NOTAS FINALES En nuestro caso vemos que tendríamos que repetir el ensayo por los requisitos incumplidos que especificamos anteriormente. La tenacidad a fractura del material es del orden del valor esperado. El espesor supera ampliamente el requisito mínimo para deformación plana.