Estudio numérico Experimental bajo condiciones de fatiga por contacto de la aleación Co-Cr-Mo endurecida superficialmente por difusión de boro

Abstract

En el presente trabajo se estudia el comportamiento bajo condiciones de fatiga por contacto de una aleación Co-Cr-Mo endurecida superficialmente por difusión de Boro. El endurecimiento de la aleación se realizó por medio del proceso de borurización por empaquetamiento en polvo, para tres condiciones diferentes de tiempo y temperatura de exposición(3h 850°C y 5h 950°) con la finalidad de obtener tres capas con espesores diferentes. La caracterización de las capas formadas se realizó por medio de la microscopia óptica, los resultados mostraron morfología o interfaz planas y espesor total en el rango de 5.8 a 27.3 um. Para la caracterización mecánica de las capas de boruro se utilizó la técnica de identación instrumentada, con un indentador tipo Berkovich. Se obtuvo una dureza máxima alrededor de 26 Gpa y un módulo de elasticidad de 394 GPa cerca de la superficie para la fase CoB. Las pruebas de fatiga se realizaron en una máquina de ensayos universal servo-hidraúlica mediante e impacto repetitivo de una esfera sobre la superficie del sistema capa/substrato. La experimentación consistió en dos partes. En la primera se determinó la carga crítica Fc, considerando la aparición de grietas tipo anillo como el críterio de falla. En la segunda parte, se realizaron las pruebas de fatiga a bajo ciclado (n<100,000) aplicando cargas sub-críticas con una frecuencia de 6Hz para los 3 sistemas. Mediante microscopía óptica y microscopía confocal se midieron los radios y profundidades de las huellas formadas por las pruebas de fatiga. Los resultados de las pruebas, indican que el sistema capa/substrato con la capa mas delgada, presenta mejor resistencia a fatiga, mientras que el comportamiento más frágil lo exhibe el sistema de mayor espesor. Con la finalidad de comparar con los resultados experimentales se desarrolló una simulación numérica de la prueba de fatiga por contacto utilizando el programa Abaqus 13. Las simulaciones se llevaron a cabo para las cargas cíclicas de mayor magnitud y se limitan a una cantidad de ciclos de aproximadamente 150. Los resultados presentan buenas aproximaciones con respecto a los diámetros de contacto y profundidades residuales medios experimentalmente. Debido a la limitada cantidad de trabajos referentes al tema, los resultados obtenidos representan un aporte importante para entender el comportamiento mecánico y tolerancia al daño que presentan este tipo de recubrimientos bajo la aplicación de cargas repetidas.