Caracterización mecánica mediante ensayos small punch de materiales metálicos sometidos a altas temperaturas

Resumen

La caracterización mecánica mediante técnicas convencionales requiere volúmenes de material relativamente elevados. Esto puede dificultar su aplicación en el caso de evaluaciones de componentes en servicio, ya que suele suponer la destrucción de los mismos en numerosas ocasiones, anulando la opción de alargar su vida útil. Por ello, a menudo es necesario recurrir a técnicas de ensayo alternativas sobre probetas miniatura, que permiten que el componente mantenga su integridad tras la evaluación. Entre dichas técnicas, el ensayo Small Punch destaca por su gran potencial. Se trata de una técnica relativamente reciente, que consiste básicamente en punzonar una placa de pequeñas dimensiones hasta rotura. Actualmente, este ensayo se encuentra en proceso de normalización en Europa y goza de un uso cada vez más extendido en diversos sectores, empleándose ya en industrias como la nuclear o aeronáutica. El objetivo de esta tesis es la aplicación y desarrollo de la técnica de ensayos Small Punch para la caracterización de componentes sometidos a altas temperaturas. Por lo tanto, se pretende aumentar la aplicabilidad del ensayo, colaborando a su desarrollo como herramienta para la caracterización de materiales en evaluaciones de integridad estructural. Para ello, se han analizado mediante ensayos Small Punch (SP) dos aceros empleados habitualmente en la industria, así como dos aleaciones ligeras. Se ha comprobado que la técnica SP permite realizar una exhaustiva identificación de los cambios producidos en los materiales tras estar sometidos a altas temperaturas. Se ha planteado una aplicación novedosa del ensayo, abordando la caracterización de material de la zona afectada térmicamente durante diversos procesos de corte de un acero estructural S460M, que sería difícilmente abordable mediante metodologías convencionales. Se han evaluado los cambios producidos en las propiedades de tracción del material, obteniendo una excelente correlación con otras técnicas de ensayo alternativas. Además, se ha estimado la tenacidad a fractura, pudiendo escoger incluso la orientación de la dirección de caracterización. Esto supone una gran ventaja frente a otros ensayos, ya que posibilita la obtención de un mayor número de propiedades con un reducido volumen de material, con gran simplicidad y sin dependencia del material analizado. Por otra parte, se han estimado las propiedades del acero P22 a altas temperaturas, comprobando la adecuación de diversas aproximaciones para tal fin. Dicho material, conjuntamente con las aleaciones ligeras AlSi9Cu3 y AZ31, ha sido analizado en condiciones de fluencia. Se ha verificado la aplicabilidad de la técnica para la obtención de correlaciones con los ensayos uniaxiales, empleando tres metodologías: (i) comparación de tiempos de rotura, (ii) comparación del parámetro de Larson-Miller y (iii) de Orr-Sherby-Dorn, en amplios rangos de temperatura. Todos los resultados previos han conducido a una idéntica relación entre tensión equivalente y carga aplicada en los ensayos SP en condiciones de fluencia, independientemente del grado de ductilidad del material analizado. Hay que señalar que en el caso de la aleación AlSi9Cu3, de baja ductilidad, no ha sido posible aplicar la formulación derivada del modelo de membrana de Chakrabarty, ya que presenta un comportamiento más próximo a una placa. Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevas aproximaciones para establecer una relación entre la carga aplicada en un ensayo SP y la tensión equivalente para materiales de baja ductilidad. También se ha analizado, tomando como referencia el acero P22 y las aleaciones ligeras, la influencia de las condiciones de sustentación de la probeta en los resultados de las metodologías. En los ensayos SP para estimar las propiedades de tracción, el empleo de matriz superior -con probeta empotrada en su contorno- permite garantizar la repetitividad de resultados, independientemente de la fuerza aplicada en la misma e incluso si se permiten pequeños desplazamientos. Las estimaciones del límite elástico sin el uso de matriz superior conducen a valores ligeramente inferiores, mientras que la resistencia a tracción presenta una influencia despreciable en dichas condiciones. En el caso de ensayos SP en condiciones de fluencia, se ha comprobado la escasa influencia de la presencia o ausencia de matriz superior, así como de la fuerza aplicada para empotrar la probeta, siendo su efecto de la misma magnitud que la dispersión propia de los resultados. Se ha evaluado la influencia del uso de diferentes materiales en el punzón a la hora de realizar ensayos SP en condiciones de fluencia, analizando la respuesta de las aleaciones AlSi9Cu3 y AZ31 empleando tres indentadores diferentes. En el caso de la aleación AlSi9Cu3 se ha observado una clara influencia en el comportamiento del material, posiblemente debido a la adherencia entre la probeta y el punzón. Se trata de un tema crítico, ya que puede introducir errores en la comparación de resultados entre laboratorios e impedir la homogeneización de la técnica de ensayos Small Punch en condiciones de fluencia. Por último, se ha comprobado la influencia de la fricción entre probeta y punzón durante los ensayos SP en condiciones de fluencia, mediante simulaciones de elementos finitos del acero P22. De acuerdo a los resultados obtenidos, el coeficiente de fricción parece decrecer cuanto mayor sea el tiempo de rotura, posiblemente debido a la formación de óxidos sobre la probeta (actúan como lubricante entre las superficies) o a que la fricción no sea constante a lo largo de la prueba. En resumen, en esta tesis se ha comprobado la idoneidad y adecuación de la técnica de ensayos Small Punch para la caracterización de materiales metálicos sometidos a altas temperaturas. Además, se ha identificado la influencia de varios parámetros en los resultados del ensayo, colaborando a su desarrollo como herramienta clave para la caracterización de componentes reales en evaluaciones de integridad estructural.