Determinación de las propiedades de termofluencia en un acero 5Cr-0.5Mo por medio de la prueba de Small Punch

Abstract

RESUMEN: El acero 5Cr-0.5Mo es una aleación ferrítica usado en la industria energética y petroquímica como material de tuberías, intercambiadores de calor y como contenedores a presión. Por su contenido de Cr y Mo, en la matriz ferrítica se encuentran precipitados finos base Cr-Mo; distribuidos homogéneamente y estos le otorgan sus buenas propiedades de tensión. Su óptima resistencia a la termofluencia la obtiene al exponerse a temperaturas de trabajo de 350-600 °C y a una máxima presión de 30 MPa. Su tiempo de vida esperado para este acero es de 250,000 h bajo estas condiciones. El presente trabajo tiene como objetivo evaluar las propiedades de termofluencia del acero 5Cr-0.5Mo en el estado original y distintos tiempos de envejecido mediante la prueba de Small Punch. Las muestras de este acero se envejecieron isotérmicamente a 600 °C; por tiempos de envejecido de hasta 1000 h. La principal técnica de caracterización de la termofluencia fue la prueba de Small Punch usando una geometría de discos tipo TEM de Ф3.0 x 0.25 mm. Los resultados de las pruebas de termofluencia se compararon con resultados de pruebas uniaxiales en termofluencia a 600 °C. Se utilizó la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido para analizar la microestructura del estado original y los estados envejecidos antes de las pruebas de termofluencia. También se utilizó esta técnica para caracterizar los especímenes ensayados por la prueba Small Punch y algunas copas fueron seccionadas para analizar la deformación del espécimen tras la prueba y la distribución de los precipitados. Se utilizó el Método de Elementos Finitos (FEM) mediante el software ABAQUS CAE para obtener la relación F/σ calculada entre la prueba Small Punch y la prueba Uniaxial. Se realizaron pruebas de dureza Vickers para conocer la dureza general del material en el estado original y estados envejecidos antes de la prueba. Los resultados indicaron que existe un coeficiente F/σ experimental entre ambas pruebas de 0.63 y un coeficiente calculado de 0.49. El coeficiente experimental con un valor de F/σ = 0.63, mostró un buen ajuste. La resistencia a la ruptura se redujo al aumentar el tiempo de envejecido del material y se observa que el material aumentó su ductilidad a causa de la menor densidad de precipitados. ABSTRACT: The 5Cr-0.5Mo steel is a ferritic steel used in energy and petrochemical industries as tubing materials, heat exchangers and pressure vessels. Due to its Cr-Mo content, the ferritic matrix has fine precipitates based Cr-Mo homogenously distributed, granting to the material its tensile properties. Its optimal creep resistance is obtained at a temperature range between 350-600 °C and pressures around 30 MPa. The expected life of this material is around 250, 000 h under those conditions. The purpose of this study is to determine the creep properties of the 5Cr-0.5Mo steel in the as-received as well as different aged conditions using the Small Punch technique at 600 °C. The aged samples were isothermally treated at 600 °C under different aging times up to 1000 h. The main characterization technique to analyse the creep properties was the Small Punch technique using TEM disks of Ф3 x 0.25 mm. It was used the Scanning Electron Microscope to characterize the microstructure of the as-received and aged conditions before the creep tests. Also, this technique was used in order to characterize the tested SP specimens, their deformation and the distribution of the precipitates. The Finite Element Method (FEM) was applied using the ABAQUS CAE software, in order to obtain the calculated F/σ coefficient between the Small Punch and Uniaxial tests. The Vickers hardness test in the microstructure before creep tests was analysed in all conditions. The results showed an experimental coefficient of F/σ equals to 0.63 and a calculated F/σ coefficient of 0.49. The experimental coefficient F/σ = 0.63 showed the best fit. The rupture strength was reduced as an effect of the increase in aging time and the ductility increased due to the lower density of precipitates.