ANALISIS MULTIESCALA DE LA INFLUENCIA DE LA MICROPOROSIDAD POR CONTRACCIÓN EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y FRACTURA BAJO ESFUERZOS DE TRACCIÓN EN FUNDICIONES NODULARES

LOPEZ, MARCOS; AGUSTINA MASSONE; DIEGO FERNANDINO; J. M. MASSONE

Mar del Plata

Congreso; Congreso SAM CONAMET 2022; 2022

INTEMA-UNMDP

Los defectos de contracción que aparecen durante el proceso de solidificación consituyen uno de los principales problemas que afectan la calidad de las piezas coladas y, en consecuencia, cuando se busca producir piezas de alta resistencia se considera vital asegurar que se encuentren libres de todo tipo de defectos. Entre los defectos más comunes que se observan en las piezas coladas se encuentra la microporosidad, la cual aparece generalmente dispersa a lo largo de todo el volumen. Con este término nos referimos a cavidades del orden de algunos micrones que se forman en las últimas zonas en solidificar [1,2]. Se sabe que la presencia de estas microcavidades puede afectar la resistencia mecánica de las piezas coladas, pero este efecto no ha sido completamente cuantificado. Por esta razón, el presente trabajo se enfoca en estudiar la influencia de las microcavidades dispersas sobre la ocurrencia y secuencia de los micromecanismos de daño que tienen lugar durante el proceso de fractura. Con este fin, se colaron piezas de fundición nodular en la planta piloto de fundición de la División Metalurgia del INTEMA (DMI) con composición química cercana al eutéctico. Las piezas coladas fueron sometidas a un ferritizado para asegurar que la totalidad de las muestras a ser estudiadas presente una matriz ferrítica de similares características. Las piezas fueron posteriormente seccionadas, pulidas e inspeccionadas en busca de microporosidad dispersa. En aquellas regiones donde se encontraron microcavidades se efectuó un mecanizado para producir probetas de tracción planas de pequeñas dimensiones. En todos los casos se procuró que los defectos queden en el centro de las probetas elaboradas. Las probetas fueron sometidas a ensayos de tracción con observaciones in-situ en los que se pudo registrar microscópicamente la evolución del daño a medida que se incrementaba la carga, mediante observaciones de microscopía electrónica de barrido (SEM). Esto se efectuó para varias muestras con diferentes niveles de microporosidad. Para cada muestra analizada fue posible obtener su curva de tensión-deformación. Posteriormente se llevó a cabo un modelado computacional multi-escala de la solicitación a la tracción uniaxial, con el fin de determinar cuál hubiese sido su comportamiento con niveles de microporosidad diferentes a los de los ensayos. Dicho modelo considera el comportamiento elastoplástico de la matriz metálica y el mecanismo de decohesión de los nódulos de grafito respecto de la matriz. Este análisis se realiza utilizando una Formulación Multiescala Orientada a Falla que incorpora interfaces cohesivas para modelar la decohesión de los nódulos en la microescala. La geometría de los modelos y las propiedades de sus microconstituyentes se especifican a partir de los resultados experimentales previos [3]. Con el fin de validar los resultados numéricos, se empleó como variable de comparación el límite elástico convencional determinado a partir de las curvas de tensión-deformación experimentales. Los resultados muestran que, en matrices ferríticas, hasta un determinado nivel de microporosidad dispersa, las microcavidades de contracción no producen un cambio significativo en la dirección de propagación predominante de las fisuras. En estos casos, la fractura final se produce por la propagación de múltiples fisuras a través de las zonas internodulares de la matriz metálica, las cuales coalescen en una fisura principal que conlleva a la fractura final del material (Figura 1a). Por otro lado, cuando el nivel de microporosidad aumenta de forma tal que las microcavidades constituyen una red interconectada a lo largo de las últimas regiones en solidificar, se observa que la fractura final invariablemente se produce a través de las zonas porosas (Figuras 1b). Los resultados numéricos permiten cuantificar la reducción del límite elástico convencional producto de la presencia de microcavidades, así como determinar el nivel y tipo de distribución de microporosidad a partir del cual esta reducción comienza a ser notoria. Un ejemplo de las microceldas utilizadas se presenta en la Figura 1c. Los resultados se listan en la Tabla 1, donde σ0.2 corresponde al límite elástico convencional obtenido a partir de la respuesta homogenizada de los modelos, mientras que ∆σ0.2 representa la diferencia entre la respuesta numérica y el valor de σ0.2 experimental para la muestra sin porosidad, cuyo valor es igual a 275±4% MPa