Análisis de esfuerzos residuales y tenacidad a la fractura en aceros aplicados a resortes automotrices

Abstract

El presente trabajo de investigación se basó principalmente en el conocimiento de los defectos y grietas que pueden desarrollar los elementos mecánicos y estructuras de manera ineludible desde su fabricación, por lo que se dirigió la atención en investigar el fenómeno del fallo del componente por medio de la fractura. En este trabajo se tiene como objetivo general determinar el efecto de los tratamientos térmicos en la manufactura de resortes, ya que dichos componentes son sometidos a diversos procesos de manufactura para llegar a la forma deseada, cada uno de dichos procesos de manufacturan inducen esfuerzos residuales o endurecimiento por deformación, los cuales influyen en forma benéfica o detrimental en la vida útil del componente mecánico. En el primer capítulo se presentan algunos trabajos previos relacionados con el estudio de la magnitud y distribución del campo de esfuerzos residuales, mismos que se realizaron de forma analítica, numérica y experimental. También, se presentan trabajos en los que se relacionan los esfuerzos residuales con la resistencia a la fatiga que es donde se presenta el efecto más significativo de los esfuerzos residuales y finalmente se plantea la problemática de la generación de esfuerzos residuales en el proceso de manufactura de resortes automotrices. En el segundo capítulo fueron definidos los esfuerzos residuales, como se generan y los efectos que producen en el material, ya que influyen el comportamiento mecánico del componente debido a que se adicionan a las cargas aplicadas en el material. Además se describe la clasificación de los esfuerzos residuales por algunos autores y los principales métodos de medición de los esfuerzos residuales en el área de ingeniería. En el tercer capítulo se describen los tipos de resortes que existen en la industria y el mercado, enfatizando en los resortes helicoidales de compresión; de igual manera se describen los métodos clásicos de análisis y cálculo de resortes espirales a compresión. Se destacan los factores que afectan a la resistencia a la fatiga de los resortes helicoidales y su relación con los tratamientos térmicos aplicados a los resortes. Finalmente, se describen los aspectos más importantes en los tratamientos mecánicos empleados en los resortes como el granallado, ya que los esfuerzos residuales de compresión introducidos por el granallado aumentarán sensiblemente la duración de vida de los resortes. El cuarto capítulo abordó temas relacionados al fenómeno de la fractura, enfatizando que esta es una disciplina que estudia el comportamiento de estructuras que contienen grietas u otros pequeños defectos y son sometidas a cargas. Se explicó la concentración de esfuerzos, el factor de concentración de esfuerzos, el criterio de Griffith, el factor de intensidad de esfuerzos y los principios de la Mecánica de la Fractura Lineal Elástica (MFLE). Es importante mencionar que los efectos de los tratamientos térmicos en estos resortes fueron evaluados en 2 fases. En la primera fase se analiza el proceso de fabricación de resortes automotrices tipo Doble Pig-Tail, mediante un mapa de proceso con la finalidad de revisar las condiciones de operación y características del producto. Posteriormente mediante un Diagrama de Pareto se estratifican las operaciones con mayor número de incidencias y se determina la problemática a resolver. En la segunda fase se caracteriza el acero AISI 9254 con diferentes condiciones de tratamiento térmico mediante ensayos de tenacidad a la fractura por microindentación Vickers, ensayos de tenacidad a la fractura bajo la norma ASTM-E399 y ensayos de tensión para evaluar su resistencia y vida útil. Finalmente se realiza el estudio fractográfico del comportamiento del material a diferentes temperaturas y tiempos de permanencia en horno. El capítulo cinco aborda las características principales del acero AISI 310L en diferentes condiciones de tratamiento térmico, con la finalidad de observar la alta precipitación de carburos y cambios drásticos en la dureza y resistencia a la cedencia. Con ello se observó el comportamiento mecánico mediante ensayos de tensión, dureza, microscopía óptica, difracción de rayos x y análisis químico. Entre los resultados se encuentra el incremento a la resistencia a la cedencia en este acero debido a la dilución de los carburos obtenidos y a los tiempos que se tiene el material calentándose. La dureza se incrementó conforme el tiempo de permanencia del material provocando precipitación de carburos de Cromo y presentando una mayor fragilidad. El último capítulo describe el diseñó de un horno de tratamientos térmicos tipo tubular con atmósfera controlada, que tiene como finalidad desarrollar tratamientos térmicos in-situ en el cumplimiento de los requisitos de la norma NMX-D-305, 2009 para muelles de suspensión en vehículos automotores. Con el horno mencionado, se trabajó a altas temperaturas (800- 1200oC), tiempo de operación largos (2-8h) y atmosferas controladas para estudiar las propiedades de aceptación de los resortes automotrices. Entre los resultados cabe destacar un sistema de sellado eficaz, presión controlada y capacidad de operar en atmósferas corrosivas, así como asegurar un mantenimiento eficaz, flexible, y de bajo costo. Finalmente en este trabajo de tesis, se exponen las conclusiones que se obtuvieron de esta investigación, una propuesta de trabajo futuro y anexos.