efecto de la rapidez de deformacion en los ensayos de relajacion de ...

UNIVERSIDAD MICHOACANA
DE SAN
NICOLAS DE HIDALGO
4 to Foro de Ingeniería e Investigación en Materiales
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES
METALURGICAS
EFECTO DE LA RAPIDEZ DE DEFORMACION EN LOS ENSAYOS DE RELAJACION
DE ESFUERZOS EN LA ALEACION SUPERPLASTICA, Zn 77.06%, Al 21.93, Ag
1.0% (ZINAG)
G. E. López Ordaz, G. Gutiérrez Gnechi, J. J. Montoya Cruz
Instituto Tecnológico de Morelia, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Programa de
Graduados en Metalurgia
FORO DE INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN EN MATERIALES. VOL. 4 (2007) 232-237
Editores: E.A. Aguilar, J. Lemus, E. Bedolla, C.A. León
® Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la UMSNH
Morelia, México
ISBN 970-9798-03-0
CUERPO ACADÉMICO CONSOLIDADO INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA DE METALES, CERÁMICOS Y ALEACIONES DE LA UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO

EFECTO DE LA RAPIDEZ DE DEFORMACION EN LOS ENSAYOS DE
RELAJACION DE ESFUERZOS EN LA ALEACION SUPERPLASTICA, Zn 77.06%, Al
21.93, Ag 1.0% (ZINAG)
G. E. López Ordaz, G. Gutiérrez Gnechi, J. J. Montoya Cruz
Instituto Tecnológico de Morelia, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Programa de
Graduados en Metalurgia
Introducción
La relajación de esfuerzos consiste en la pérdida del esfuerzo mientras el material se mantiene a
deformación constante. Fenomenológicamente, el proceso es el resultado de la conversión de la
deformación elástica inicial, en deformación plástica permanente de la misma magnitud.
Estructuralmente, el proceso representa la aproximación gradual del material deformado
elásticamente, que se encuentra mecánica y termodinámicamente inestable, hacia condiciones
termodinámicas de equilibrio. Es conocido que la relajación del esfuerzo de una aleación
determinada, depende del esfuerzo inicial aplicado (deformación asociada a dicho esfuerzo) y de
la temperatura a la cuál se mantiene el material. En materiales súper plásticos surge una variable
adicional, la rapidez de deformación, ya que dependiendo de ésta, puede haber o no
comportamiento súper plástico [1]. Este estudio, complementa la caracterización y determinación
de las propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de tracción que se han venido efectuando en
esta aleación [2,3]. Un trabajo anterior [4], informa sobre la relajación de esfuerzos de esta
misma aleación, sólo que, los ensayos se realizaron a la rapidez de deformación: 7.14×10 -4 s –1 .
En este estudio, se realizaron ensayos de relajación de esfuerzos en la aleación Zn 77.06%, Al
21.93% y Ag 1.0%. Los ensayos se efectuaron a temperatura ambiente (25º C) y el esfuerzo
inicial aplicado fue tal, que las deformaciones asociadas a este esfuerzo se ubicaron: a) en la zona
elástica, b) en la cima y c) en la zona plástica del ensayo de tracción de dicha aleación. También
se variaron las rapideces deformación, las cuales fueron: 2.0833 x10 -5 s -1 , 2.0833x10 -4 s -1 y
8.333x10 -3 s -1 . El tiempo de duración de los ensayos también se aumentó en relación a los
utilizados en la referencia [4] antes mencionada.
Metodología
Para la realización de los ensayos, se utilizaron probetas fabricadas en el IIM-UNAM de acuerdo
a la norma ASTM E8M-8, la cual se muestra en la fig. 1.
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Espesor: 0.9
Fig. 1. Probetas utilizadas en los ensayos (dimensiones en mm)
Los ensayos de relajación de esfuerzos se efectuaron a temperatura ambiente (25º C) y las
variables que se modificaron fueron: a) Esfuerzo inicial aplicado (Deformación inicial), b)
Tiempo de duración del ensayo y c) Rapidez de deformación, como se muestra en la tabla 1.
Tabla 1. Rapideces de deformación y porcentajes de deformación utilizadas en los ensayos.
Rapidez I Rapidez II Rapidez III
έ (s -1 ) 2.0833 x 10 -5 2.0833 x 10 -4 8.333 x 10 -3
9.23 (122 ) 11.53 (161 ) 8.33 (133 )
%Є ( σ MPa) 12.50 (127 ) 19.23 (173 ) 12.50 ( 153)
23.54 ( 138) 23.07 (211 ) 25.00 (253 )
También se realizó una caracterización microestructural de las probetas antes y después de
haberse realizado los ensayos de relajación de esfuerzos. Esta caracterización se efectuó por
Microscopía Electrónica de Barrido con electrones retro dispersados, a fin de resaltar las fases
presentes en la aleación.
Resultados y discusión
La fig. 2, muestra las curvas de relajación de esfuerzos que se obtuvieron al realizarse los ensayos
con una rapidez de deformación έ = 8.749 x 10 -3 s -1 y manteniendose constante las
deformaciones que se muestran en dicha figura. Se puede apreciar, que el % de relajación de
esfuerzos obtenido en el ensayo realizado, a una deformación de mantenimiento ubicada en el
rango elástico, es menor a los obtenidos en el rango plástico, que son prácticamente iguales. Y
que al aumentar el porcentaje de deformación inicial, el esfuerzo mínimo al que disminuye el
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esfuerzo es más elevado. Puede apreciarse también, que alrededor de 8500 seg. Las curvas de
relajación tienden a revertir el esfuerzo relajado.
%,1 = 9.23 (% Relajación = 75.00)
%,2 =12.50 (% Relajación = 78.57)
%,3 =23.54 (% Relajación = 78.12)
Fig. 2. Curvas del ensayo de relajación de esfuerzos con una rapidez de deformación έ =
8.749 x 10 -3 s -1 y a diferentes porcentajes de deformación (%,)
En la fig. 3, se muestran las microestructuras de la aleación antes y después de los ensayos
realizados. Las figuras. 3(a), 5(a) y 7(a) muestran la microestructura de la aleación bajo
condiciones de laminación antes de la realización de los ensayos. En ellas se puede apreciar una
zona clara que corresponde a la fase (η) rica en Zinc y una fase más obscura que corresponde a la
fase (α) rica en Aluminio. Las zonas más obscuras corresponden también a la fase (α)
proveniente de las dendritas de colada que no se destruyeron durante la laminación.
Micro estructura antes
del ensayo a 250X
Ensayo ZN1
έ = 8.749 x 10 -3 s -1
%,1 = 9.23
Resultados:
% Relajación = 75.00
Ensayo ZN2
έ = 8.749 x 10 -3 s -1
%,2 =12.50
Resultados:
% Relajación = 78.57
Ensayo ZN3
έ = 8.749 x 10 -3 s -1
%,3 =23.54
Resultados:
% Relajación = 78.12
a) b) c) d)
Fig. 3. Microestructura aleación Zinag, antes y después del ensayo de relajación de esfuerzos
En 3(b), 3(c), y 3(d) se aprecia una tendencia a homogenización de la estructura, sin embargo, no
se observa una diferencia microestructural entre ellas.
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En la fig. 4, se muestran las curvas de relajación de esfuerzos de la aleación ensayada a una
rapidez de deformación de έ = 2.833 x 10 -4 s -1. En ella se puede apreciar que en el ensayo
realizado a una deformación inicial dentro del rango elástico, el % de relajación es ligeramente
mayor que los realizados en el rango plástico. Se observa también, que cuando aumenta el
porcentaje de deformación inicial, el esfuerzo mínimo al que cae el esfuerzo es menor en el
ensayo realizado a una deformación inicial dentro del rango elástico y prácticamente es igual la
caída del esfuerzo en los ensayos realizados en el rango plástico. Esta figura, muestra también,
que arriba de los 8000 minutos de duración del ensayo, la caída del esfuerzo se revierte.
%,6 =23.07 (% Relajación = 79.44)
%,5 =19.23 (% Relajación = 77.52)
%,4 =11.53 (% Relajación = 75.65)
Fig. 4. Curvas del ensayo de relajación de esfuerzos a una rapidez de deformación έ =
2.833 x 10 -4 s -1 y a diferentes porcentajes de deformación (%,)
En la fig. 5, se muestran la microestructura de las probetas ensayadas antes y después bajo las
condiciones que en ella se indican. En las figuras 5(b), 5(c) y 5(d) se puede observar que la fase
(η) rica en Zinc disminuye conforme se aumenta el porcentaje de deformación, debido a una
posible segregación de la fase (α) rica en Aluminio. Otra serie de ensayos, fueron realizados a
una rapidez de deformación de έ = 8.3333 x 10 -3 s -1 y las curvas de relajación obtenidas se
muestran en la figura 6, la cual muestra también las deformaciones iniciales a las cuales se
efectuaron los ensayos.
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Microestructura antes
del ensayo a
250x
Ensayo ZN4
έ = 2.83 x 10 -4 s -1
%, =11.53
Resultados:
% Relajación 75.65%
Ensayo ZN5
έ = 2.83 x 10 -4 s -1
%, =19.23
Resultados:
% Relajación: 77.52%
Ensayo ZN6
έ = 2.83 x 10 -4 s -1
%, =23.07
Resultados:
% Relajación: 79.44
a) b) c) d)
Fig. 5. Microestructura aleación Zinag, antes y después del ensayo de relajación de esfuerzos
En la figura 6 se puede apreciar que a la mayor deformación inicial ensayada se obtiene el mayor
porcentaje de relajación de esfuerzos. También se observa, que a poco más de 6000 min., se
empieza a revertir la caída del esfuerzo.
%, = 8.33 (% Relajación = 81.76)
%, =12.500 (% Relajación = 81.52)
%, =25.00 (% Relajación = 92.6)
Fig. 6. Curvas del ensayo de relajación de esfuerzos con una rapidez de deformación έ = 8.33 x 10 -3 s -
1 y a diferentes porcentajes de deformación (%,)
La figura 7, muestra las microestructuras de las probetas ensayadas antes y después de los
ensayos realizados bajo las condiciones que también se indican en la figura. En ésta, se aprecia
un afinamiento de la fase (η) rica en Zinc, dándose una posible segregación de la fase (α) rica en
Aluminio, este efecto es más pronunciado a mayor deformación inicial aplicada, fig. 7(d)
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Microestructura antes
del ensayo a
250x
Ensayo ZN7
-3 -1
έ = 8.3333 x 10
s
%, = 8.3333
Resultado s:
% Relajación 81.76
Ensayo ZN9
-3 -1
έ = 8.3333 x 10
s
%, =12.5000
Resultados :
% Relajación: 81.52
Ensayo ZN10
-3 -1
έ = 8.3333 x 10
s
% , =25.0000
Resultados :
% Relajación: 92.60
a) b) c) d)
Fig. 7. Microestructura aleación Zinag, antes y después de los ensayos de relajación de esfuerzos
Conclusiones
Al aumentar la rapidez de deformación, existe un ligero aumento en el porcentaje de
relajación del esfuerzo, éste es mayor, a la mayor rapidez de deformación ensayada.
Al aumentar el porcentaje de deformación inicial, aumenta ligeramente el porcentaje de
relajación del esfuerzo, siendo éste más evidente en los ensayos a la mayor rapidez de
deformación.
Después de un período de tiempo relativamente largo, se revierte la caída del esfuerzo. Esta
situación ocurre a menor tiempo en los ensayos realizados a la mayor rapidez de deformación.
Cuando se aumenta la rapidez de deformación se da un mayor afinamiento de la fase (η) rica
en Zinc y mayor segregación de la fase (α) rica en Aluminio.
Referencias
1. Guillermo Gutierrez, On Stress Relaxation of Copper Alloys, Master Thesis, The University of
Connecticut, 1979, p. 2.
2. Said Robles Casolco, Gabriel Torres Villaseñor. Caracterización mecánica del eutectoide Zn-Al,
modificado con plata. Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de
México. México DF 2004. pp. 13-14
3. Gabriel Torres Villaseñor, Said Robles Casolco, El conformado superplástico, en el futuro de la
Industria Metal-Mecánica, Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional
Autónoma de México. México DF 2004.
4. R. Pérez Mora, G. Gutiérrez Gnechi, M. L. Mondragón. Determinación de las curvas de relajación de
esfuerzos bajo tracción en la aleación Zinag. Instituto Tecnológico de Morelia, Instituto de
Investigaciones en Materiales UNAM. 2006
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