Instrumentación de un péndulo para observar los cambios de tenacidad de: un acero 4140 templado y revenido, fragilización por hidrógeno en un acero 1018 y fragilización por radiación en un acero inoxidable 316

Abstract

RESUMEN: En el presente trabajo de investigación se instrumentó un péndulo para poder observar cambios en la tenacidad de tres fenómenos físicos que causan fragilidad en materiales metálicos. Esta investigación se realizó en tres momentos, en cada uno se estudió lo siguiente:

Primer caso: se estudiaron los cambios de tenacidad de un acero 4140 templado y revenido, dicho fenómeno es conocido como fragilización por revenido. Para estudiar el primer caso, se realizó un análisis microestructural por Microscopio Electrónico de Barrido (MEB), para observar la relación existente con la tenacidad a la fractura en un acero 4140; la tenacidad a la fractura se cuantificó empleando una prueba de impacto instrumentada con probetas tipo Charpy. Se seleccionó el acero 4140 debido a que éste es un acero que frecuentemente se utiliza para la fabricación de piezas de maquinaria susceptible a temple, además que a diferentes temperaturas de revenido se alcanzan diferentes grados de tenacidad. El estudio se realizó en probetas tipo Charpy templadas en aceite desde 850 ° C y revenido a 100 ° C por 1 hora, 1.5 horas y 2 horas, con el fin de observar la eliminación de esfuerzos del temple. También se empleó una temperatura de 400 ° C por 1 hora, 1.5 horas y 2 horas zona en la cual este acero presentó fragilidad por revenido. Se encontró un aumento de la tenacidad con el tiempo de revenido a 100 ° C, mientras que la dureza permanecía constante; sin embargo, un comportamiento diferente puede observarse a 400 ° C con el tiempo de revenido, mientras que la dureza disminuye, la tenacidad sube y cae abruptamente.

Segundo caso: se fragilizó por cargado catódico, introduciendo hidrógeno en probetas Charpy en un acero 1018, con el fin de observar el comportamiento mecánico en una prueba de impacto instrumentada al fenómeno de fragilización por hidrógeno. Para el estudio del segundo caso un acero 1018 se fragilizó por cargado catódico, introduciendo hidrógeno en probetas Charpy, con el fin de observar el comportamiento mecánico en una prueba de impacto instrumentada, y observar el cambio en la tenacidad a la fractura por el efecto del hidrógeno. Adicionalmente una prueba de tensión mostró una fragilización en las curvas por disminución en el porcentaje de deformación y, se comprobó en el cambio de mecanismo de fractura en la superficie de las probetas, de coalescencia de poros a cuasiclivaje generalizado. En la prueba de impacto Charpy la forma de la curva cambia ligeramente y los rasgos de iniciación muestran los cambios más drásticos y las fractografías, tanto de la zona de iniciación de la grieta como de propagación, muestran rasgos de fragilización en las probetas cargadas con hidrógeno.

Tercer caso: se empleó un implantador de iones de níquel para simular daño neutrónico en un acero inoxidable 316, con características similares a la de una vasija de reactor nuclear, daño conocido como fragilización por radiación. En este caso, se estudió como el daño por radiación provoca pérdida de ductilidad en aceros estructurales, pero evaluar el grado de fragilización de los aceros que forman parte de los componentes estructurales de un reactor se presenta un reto de ingeniería, ya que hay que usar los reactores para fragilizar muestras testigo y muchas veces las muestras se activan radioactivamente. Una alternativa empleada es usar un acelerador de partículas para implantar iones, estos iones se implantan en la superficie y dependiendo de su peso atómico y de la densidad del blanco (material ha ser estudiado) será el grado de daño o zona de penetración dañada. Una forma de observar como y cuando nuclea y propaga una grieta puede llevarse a cabo a través de pruebas en probetas tipo Charpy con entalle; se realizaron pruebas de doblez en tres puntos a velocidad de deformación constante y de Charpy con un péndulo instrumentado, complementando con observaciones de microscopía electrónica de barrido de la región dañada conteniendo la grieta para tratar de explicar el grado de fragilización y el crecimiento de grietas dentro de la zona afectada por la radiación (zona del entalle). ABSTRACT: In this research a pendulum was instrumented in order to observe changes in the tenacity of three physical phenomena that cause embrittlement in metallic materials. A first study case to observe the changes of toughness: quenched and tempered 4140 steel. The embrittlement phenomenon is known as tempering. In the second case is weakened by introducing hydrogen in cathode loaded Charpy specimens in 1018 steel, in order to observe the mechanical behavior in an instrumented impact test the phenomenon of hydrogen embrittlement. In the third case uses a nickel ion implanted to simulate neutron damage in a 316 stainless steel with similar characteristics to that of a nuclear reactor vessel. Damage is known as embrittlement by radiation.

To study the first case a microstructural analysis by SEM was performed in order to observe the relationship with the fracture toughness in 4140 steel. The fracture toughness was quantified by using an instrumented impact test with Charpy type specimens. 4140 steel was selected because this of embrittlement of steels that are part of the structural components of a reactor has an engineering challenge, since you need to use weaken reactors often control samples and samples radioactivity. An alternative is to use a particle accelerator to implant ions, these ions are implanted into the surface and depending on their atomic weight and density of the target (material to be studied) the degree of penetration damage or damaged area. One way to see how and when a crack nucleates and propagates can be carried out through tests on specimens notched Charpy type, tests were conducted at three points bending constant strain rate and instrumented Charpy pendulum, complementing observations of scanning electron microscopy of the damaged region containing the crack, trying to explain the degree of embrittlement and crack growth within the area affected by radiation (notch area).is a steel that is frequently used for the manufacture of machine parts susceptible to hardening in addition to annealing at different temperatures are achieved varying degrees of tenacity. The study was carried out in temperate Charpy type specimens in oil from 850 ° C and tempered at 100 ° C for 1hr, 1.5 hrs and 2hrs, in order to observe the elimination of hardening efforts. In addition, use a temperature of 400 ° C for 1hr, 1.5 hrs and 2hrs area where this steel temper embrittlement present. We found an increase in toughness with tempering time at 100 ° C while the hardness remained constant, but different behavior can be observed at 400 ° C with annealing time while the hardness decreases abruptly rises and, deplets tenacity.

For the second case is weakened by introducing hydrogen in cathode loaded Charpy specimens of steel 1018, to observe the mechanical behavior in an instrumented impact test and observe the change in fracture toughness by the effect of hydrogen. In addition, a stress test shows a Embrittlement in the curves decrease in the percentage of deformation and found in the change of fracture mechanism on the surface of the specimens of coalescence of pores cusiclivaje widespread. In contrast to the Charpy impact test how the curve changes slightly and the features of initiation shows more drastic changes and fractography area as the crack initiation and propagation show features of embrittlement in the specimens charged with hydrogen.

In the third case it is known that radiation damage causes loss of ductility in structural steels, the assess the degree to use a particle accelerator to implant ions, these ions are implanted into the surface and depending on its atomic weight and density of the target (the material being studied) is the degree of harm or damage penetration zone. One way to see how and when a crack nucleation and spreads can be carried out by tests on specimens with notch Charpy type; were tested in three point bending at a constant strain rate and instrumented Charpy pendulum, complementing observations of scanning electron microscopy of the damaged region containing the crack to try to explain the degree of embrittlement and crack growth within the area affected by radiation (notch area).