WO2011036321A2 - Procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos - Google Patents

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    • G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors

Definitions

  • the object of the present invention consists of a procedure for the determination of the plastic deformation of breakage in metallic materials, using for this the standardized single tensile test on a cylindrical specimen and evaluating, by means of an optical instrument (profile projector), the maximum deformation produced in the minor section of the stricture after breakage.
  • This procedure has immediate applications in the field of Materials Science and Engineering, Metal Quality Control and Numerical Methods.
  • the maximum strain deformation capable of supporting a metal is among the fundamental mechanical characteristics when defining the technical properties of said material.
  • said parameter can be measured automatically if machines capable of measuring the extent at the time of fracture are used using an extensometer. (In this case the measurement is only acceptable if the break occurs between the measuring probes of the elongation or extensometer recording device).
  • the main drawback of this procedure is that the phenomenon of localized deformation or deformation greatly conditions the measure and poses numerous uncertainties in the result.
  • the total longitudinal elongation is the sum of the elongation in the localized stricture plus the uniform elongation throughout the specimen. That is to say: f being L f the final length, L 0 the initial length, the local elongation by the stricture and s max the uniform elongation. If we express the previous equation in terms of deformations (s f ) we have to:
  • the elongation of a centimeter of bar in the neck depends on the diameter of the bar itself, we are forced to define the elongation in the stricture taking as a basis of measurement, not a centimeter, but a multiple of the bar diameter
  • the five diameters (A 5d ) were adopted as a measurement standard, while other countries such as Italy or Austria adopted the ten diameters (A 10d ) as a basis
  • the objective of the present invention is to develop a new method that eliminates the above-mentioned drawbacks and that allows obtaining a unique value for the plastic deformation in rupture in metal specimens of circular section.
  • the present invention consists of a procedure for the determination of the plastic deformation of breakage in metallic materials, using for this purpose the test standard of simple traction (EN 10002-1) on cylindrical specimen and evaluating the plastic deformation in the stricture after breakage.
  • the main novelty of the invention lies in quantifying not the longitudinal plastic deformations, as is currently done, but the sectional ones.
  • r and D are the radius and diameter at the neck of the stricture at any time of the test and D 0 at the initial moment
  • Another novelty of this procedure is the use of an optical profile projector for the determination of D Q and D f .
  • the profile projector provides an accuracy and immediacy that has not been proposed in other methods ( JP 2004325403 and JP 144588).
  • JP 2004325403 and JP 144588 The use of such equipment raises, in addition to the aforementioned advantages, that of being a regular equipment in material testing laboratories.
  • Said process has the advantage that it obtains a unique value of the plastic deformation in metals using a simple optical equipment.
  • results obtained allow to be compared with results obtained through geometrically different samples, being able to present immediate applications in the Field of Materials Science and Engineering, Metal Quality Control and
  • the present invention has as its object a procedure for the determination of the plastic deformation of rupture in metallic materials.
  • the following are the stages of the proposed procedure: a) Test sample characteristics
  • the diameter at the center of the sample will be determined by Vernier caliber, or by optical instrument, with a resolution ⁇ 0.1 mm. This measure will be obtained considering the arithmetic mean of two measurements performed in two perpendicular directions.
  • the diameter will be determined from the actual mass and length of the specimen, by the following expression: being "m” the mass of the test piece, in grams (g)
  • a traction machine of at least class 1 shall be used. Said test shall be carried out at room temperature, between 10 ° C and 35 ° C, and the specifications of the EN-10002-1 standard in Article 10 "Conditions shall be followed. "and Annex A” Recommendations concerning the use of computer controlled tensile testing machines "
  • the minimum value of the diameter in the stricture (y2-y1) is searched in the break zone, for which three measurements are made on the Y axis of the projector, considering D f as the minimum value of the three measures.
  • Fig 4 Considering the experimental evidence that the initial steel samples are not perfectly cylindrical and that, due to anisotropy of the material, the circular sections do not remain circular during the tensile test, instead of measuring a single diameter, the arithmetic mean of two measurements will be considered. performed in two perpendicular directions

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Abstract

El objeto de la presente invención consiste en un procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos, empleando para ello el ensayo normalizado de tracción simple sobre probeta cilíndrica y evaluando, mediante instrumento óptico (proyector de perfiles), la máxima deformación producida en la sección menor de la estricción tras la rotura. Dicho procedimiento presenta aplicaciones inmediatas en el campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, Control de Calidad de metales y Métodos Numéricos.

Description

Título
Procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos
Objeto de la invención
El objeto de la presente invención consiste en un procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos, empleando para ello el ensayo normalizado de tracción simple sobre probeta cilindrica y evaluando, mediante instrumento óptico (proyector de perfiles), la máxima deformación producida en la sección menor de la estricción tras la rotura. Dicho procedimiento presenta aplicaciones inmediatas en el campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, Control de Calidad de metales y Métodos Numéricos.
Estado de la técnica
En el campo de la metalurgia, la máxima deformación en rotura capaz de soportar un metal figura entre las características mecánicas fundamentales a la hora de definir las propiedades técnicas de dicho material.
Actualmente se emplea un procedimiento para determinar las deformaciones en rotura en materiales metálicos. Este procedimiento está aceptado internacionalmente y normalizado, de manera idéntica, por las dos normas principales a nivel mundial:
- Euronorma EN-10002-1 "Materiales metálicos. Ensayos de tracción"
- Norma americana ASTM E8 / E8M-08 "Methods for tensión testing of metallic materials"
Dicho procedimiento , denominado en la Euronorma EN-10002-1 en su Artículo 1 1 como " Determinación de la elongación porcentual tras la fractura ( A ) " consiste , para probetas metálicas de sección circular , en , tras el ensayo de tracción simple , unir los dos trozos rotos de la muestra de forma que sus ejes se sitúen en una línea recta y comprobar el alargamiento longitudinal que se ha producido. Previamente ha sido preciso establecer unas marcas de calibración en la probeta para posteriormente calcular su alargamiento porcentual. (Fig 1 ).
Asimismo, dicho parámetro puede medirse automáticamente si se emplean máquinas capaces de medir la extensión en el momento de la fractura utilizando un extensómetro. (En este caso la medida sólo es aceptable si la rotura se produce entre las sondas de medición del dispositivo registrador de alargamiento o extensómetro). El inconveniente principal de dicho procedimiento radica en que el fenómeno de la estricción o deformación localizada condiciona enormemente la medida y plantea numerosas incertidumbres en el resultado.
Así, el alargamiento total longitudinal es la suma del alargamiento en la estricción localizada más el alargamiento uniforme en toda la probeta. Es decir: f siendo Lf la longitud final , L0 la longitud inicial , el alargamiento local por la estricción y smax el alargamiento uniforme. Si expresamos la ecuación anterior en términos de deformaciones (sf ) tenemos que :
Figure imgf000003_0001
Considerando, además, que el alargamiento local por la estricción ( ) depende a su vez del diámetro de la barra, se llega a la conclusión, validada experimentalmente, que la deformación plástica total en rotura ( ef ), para probetas de sección circular, es función de la geometría de la muestra.
Así, como para un mismo acero, el alargamiento de un centímetro de barra en el cuello depende del diámetro propio de la barra, nos vemos obligados a definir el alargamiento en la estricción tomando como base de medida, no un centímetro, sino un múltiplo del diámetro de la barra. El hecho de que en unas normas se fije un múltiplo y en otras otro subraya el convencionalismo que rodea al procedimiento empleado actualmente. Como ejemplo, en países como España o Alemania se adoptó como patrón de medida los cinco diámetros (A5d) mientras que otros países como Italia o Austria adoptaron como base los diez diámetros (A10d )
Este es el principal inconveniente del procedimiento actual, ya que según sea el diámetro de la muestra se obtienen valores distintos de deformaciones en la estricción, no siendo por tanto comparables entre sí, al depender de aquella, los valores calculados de la máxima deformación en rotura.
A pesar de las investigaciones para tratar de establecer una correlación entre las deformaciones plásticas en rotura para muestras de distinta geometría, hasta la fecha no se ha llegado a ningún resultado concluyente. De hecho, la Norma Internacional ISO 2566-1 "Acero. Conversión de valores de alargamiento" intenta paliar dicho inconveniente mediante el empleo de muestras proporcionales así como tabulando mediante tablas y gráficos las correspondencias entre valores obtenidos con distintas longitudes de muestras. La infinita casuística hace que, en la práctica, dicho método no sea viable.
Otros procedimientos de medida han sido desarrollados y patentados al respecto para tratar de medir dicho parámetro de forma unívoca [ES 2 071 875 ( 1995 ) " Procedimiento de medición para la determinación del alargamiento de rotura sobre una probeta sometida a tracción , especialmente metálica " , US 7.360.442 B2 ( 2008 ) " Method for measuring and calculating tensile elongation of ductile metáis " , JP 2004325403 y JP 144588)] hacen únicamente más precisa la medida , pero no eliminan el inconveniente del procedimiento actual.
El objetivo de la presente invención es desarrollar un nuevo procedimiento que elimine los inconvenientes expuestos anteriormente y que permita obtener un valor unívoco para la deformación plástica en rotura en probetas metálicas de sección circular.
Descripción de las figuras
A continuación se pasan a describir de manera muy breve las figuras que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
Figura 1.- Marcas de calibración para el cálculo del alargamiento porcentual (según EN-10002-1 ).
Figura 2.- Criterio de validez de la rotura para la aceptación del ensayo.
Figura 3.- Colocación de la probeta sobre la pantalla del proyector de perfiles.
Figura 4.- Determinación, sobre la pantalla del proyector de perfiles, del valor mínimo del diámetro en la estricción.
Descripción de la invención
La presente invención consiste en un procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos, empleando para ello el ensayo normalizado de tracción simple (EN 10002-1) sobre probeta cilindrica y evaluando la deformación plástica en la estricción tras la rotura.
El procedimiento propuesto para cuantificar dicha deformación consta de las siguientes etapas:
a) Características de muestras de ensayo.
b) Determinación del diámetro inicial de la muestra
c) Realización del ensayo normalizado de tracción.
d) Determinación del diámetro final de la muestra tras la rotura.
e) Obtención del valor de la deformación plástica de rotura.
La principal novedad de la invención radica en cuantificar no las deformaciones plásticas longitudinales, como se hace en la actualidad, sino las seccionales.
Previamente al ensayo de tracción se mide la sección media inicial de la probeta:
empleando coordenadas cilindricas se obtiene que , en la sección central de la probeta , donde se produce la estricción , el estado de deformación queda definido por el siguiente tensor ( Bridgman, 1944 ) :
dú
0 ε. =■
¥"
0 o dv_
siendo έα =
de
0 o dw
ε, =
Considerando la hipótesis de que las deformaciones radiales son uniformes ( Davidenkov , Spiridinova , 1946 y Goicolea , 1985 ) , resulta :
Figure imgf000005_0001
siendo r y D el radio y el diámetro en el cuello de la estricción en cualquier instante del ensayo y D0 en el instante inicial
Asimismo, para obtener la distribución de deformaciones axiales se desprecian las deformaciones elásticas y se impone la condición de incompresibilidad: ID' = 10D0 2 => {l0 +u2)D2 = l0D0 2 => ύ, = -2Ι- => ε, = - => ε, = -2· Ιη -
D
Tras la realización del ensayo, se evalúa mediante un proyector óptico de perfiles la sección menor en el cuello de la estricción. Posteriormente se calcula la deformación plástica equivalente desarrollada a partir de la Teoría de la Plasticidad, despreciando las deformaciones elásticas y considerando que las deformaciones tangenciales son nulas, con lo que:
Figure imgf000006_0001
En el momento de la rotura, la máxima deformación plástica alcanzada, el cual es el parámetro que deseamos medir , puede hallarse pues mediante la expresión sf p = 2 - Ln— , siendo D0 el diámetro inicial de la probeta y Df el diámetro en el
Df
cuello de la estricción , en el momento de la rotura.
Denominaremos a este nuevo parámetro como DUCT, en referencia a la ductilidad.
Otra de las novedades del presente procedimiento es el empleo de un proyector óptico de perfiles para la determinación de DQ y Df .
Aunque la determinación de D0 puede hacerse también por un calibre o pie de rey, para evaluar el diámetro menor en la estricción , para la determinación de Df el proyector de perfiles proporciona una exactitud e inmediatez que no ha sido propuesta en otros métodos (JP 2004325403 y JP 144588 ). El empleo de dicho equipo plantea además de las ventajas antes mencionadas, la de ser un equipo habitual en los laboratorios de ensayos de materiales.
Dicho procedimiento presenta la ventaja de que obtiene un valor unívoco de la deformación plástica en metales empleado un sencillo equipo óptico.
Los resultados obtenidos permiten ser comparados con resultados obtenidos mediante muestras geométricamente distintas, pudiendo presentar aplicaciones inmediatas en el campo de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, Control de Calidad de metales y
Métodos Numéricos.
Modo de realización de la invención
Como ha sido comentado anteriormente, la presente invención tiene por objeto un procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos. A continuación se desarrollan las etapas del procedimiento propuesto: a) Características de muestra de ensayo
Para el ensayo se empleará una barra recta de sección transversal circular. Se recomienda emplear probetas de longitud > 500 mm para un adecuado manejo en las operaciones de medida. Para el resto de características de la muestra , se seguirán las indicaciones de la norma EN-10002 en su Artículo 6 " Muestra de Ensayo ".
Como ventaja del procedimiento propuesto, se destaca que no es necesario emplear probetas proporcionales (según se define en EN-10002 , Art. 6.1.1 ) para la posterior comparación de las deformaciones de rotura.
b) Determinación del diámetro inicial de la muestra
La medición del diámetro inicial de la probeta (D0 ) , previo al ensayo de tracción , se realizará de la forma siguiente :
- Para probetas mecanizadas :
Se determinará el diámetro en el centro de la muestra mediante calibre tipo Vernier, o bien mediante instrumento óptico, de resolución < 0.1 mm. Dicha medida se obtendrá considerando la media aritmética de dos medidas realizadas en dos direcciones perpendiculares.
- Para probetas sin mecanizar :
Se determinará el diámetro a partir de la masa y longitud real de la probeta, mediante la expresión siguiente:
Figure imgf000007_0001
siendo "m" la masa de la probeta, en gramos ( g )
" I " la longitud de la probeta ímetros ( mm )
" yesp " el peso específico, en
Figure imgf000008_0001
c) Realización del Ensayo Normalizado de Tracción
Se empleará una máquina de tracción de, al menos, clase 1. Dicho ensayo se efectuará a temperatura ambiente, entre 10 °C y 35 °C, y se seguirán las especificaciones de la norma EN-10002-1 en su Artículo 10 "Condiciones de ensayo" y Anexo A "Recomendaciones concernientes al uso de máquinas de ensayo a tracción controladas por ordenador "
Con objeto de que las condiciones de contorno (mordazas) no afecten en el resultado del ensayo, éste no se considerará válido si la rotura se produce a una distancia menor de 70 mm o tres veces el diámetro inicial de la muestra, medido desde la zona de actuación de las mordazas. (Fig 2 )
d) Determinación del diámetro final de la muestra tras la rotura
Se empleará un proyector óptico de perfiles de resolución < 0.005 mm y 0.01°. Para determinar el diámetro final ( Df ) tras la rotura se realizarán lo siguientes pasos :
- Situar la probeta sobre el proyector de perfiles, recomponiendo los dos trozos de la muestra de ensayo. Dichas piezas se colocarán sobre dos accesorios en forma de "V " o similar ( Fig 3 ) de forma que sus ejes se sitúen en una línea recta. Para evitar que la muestra se mueva durante las mediciones, se dispondrán dos mordazas con tornillo de apriete en los extremos para fijar los dos trozos de la probeta.
- Una vez alineado el eje longitudinal del conjunto con el eje X del proyector de perfiles, poner a cero la referencia absoluta.
- Visualmente, sobre la pantalla del proyector de perfiles, se busca en la zona de rotura el valor mínimo del diámetro en la estricción ( y2-y1 ), para lo cual se hacen tres mediciones del mismo en el eje Y del proyector , considerándose Df como el valor mínimo de las tres medidas. ( Fig 4 ) Considerando la evidencia experimental de que las muestras iniciales de acero no son perfectamente cilindricas y que, debido a anisotropía del material las secciones circulares no permanecen circulares durante el ensayo de tracción, en lugar de medir un único diámetro se considerará la media aritmética de dos medidas realizadas en dos direcciones perpendiculares
e) Obtención del valor de la deformación plástica de rotura
Finalmente, y una vez determinados los diámetros inicial y final, D0 y Df , se introducirán en la expresión desarrollada anteriormente, expresada en tanto por ciento, sf p = 2-Ln^ para determinar la deformación porcentual plástica de rotura . Siendo
D0 el diámetro inicial de la probeta , antes del ensayo de tracción
Df el diámetro mínimo en la estricción , tras el ensayo de tracción
El resultado se redondeará al 0,05 % más próximo.

Claims

Reivindicaciones
1. -Procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos caracterizado porque se cuantifica la máxima deformación seccional, tras la rotura en el cuello de la estricción de una barra recta de sección circular sometida al ensayo uniaxial de tracción , mediante el nuevo parámetro
DUCT = 2 - Ln— , siendo : Dn = Diámetro inicial de la muestra y Df = Diámetro final
Df ' ° f de la muestra , tras la rotura , medido en la estricción.
2.-Procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos según reivindicación 1 , caracterizado porque se emplea para la determinación de D0 y Df un proyector óptico de perfiles de precisión 0.005 mm o superior.
3.- Procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el valor de Df se obtiene como la distancia entre las dos tangentes horizontales correspondientes a los puntos de máxima curvatura en la estricción.
4. -Procedimiento para la determinación de la deformación plástica de rotura en materiales metálicos según reivindicación 1 y 2, caracterizado porque para la determinación de Df se unen las dos partes de la muestra ensayada colocándolas en unos soportes, en forma de V y con mordazas de apriete , en el proyector de perfiles de forma que sus ejes se sitúen en una línea recta y horizontal.
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