Estudio de los mecanismos de fractura de un acero de bajo carbono ante diferentes estados de carga biaxial empleando un dispositivo tipo Arcan

Study of the fracture mechanisms of a low carbon steel under different biaxial loading states using an Arcane-type different biaxial loading states using an Arcan type device

Este estudio se centra en analizar los mecanismos de fractura de un acero laminado de bajo carbono bajo diferentes estados de carga biaxial. Para llevar a cabo los ensayos mecánicos, se utilizó un dispositivo tipo Arcan que permite variar la orientación de la probeta, generando estados de esfuerzo que van desde la tensión uniaxial hasta el cortante puro, pasando por diferentes combinaciones de esfuerzos. El material de estudio fue un acero AISI/SAE 1020, y se diseñó una probeta mariposa con la ayuda de simulaciones de elementos finitos para concentrar los esfuerzos críticos en el centro del cuello de la probeta. Se realizaron ensayos en tres configuraciones: a tensión pura (0°), esfuerzo combinado con predominancia de esfuerzo cortante (60°) y cortante puro (90°). En las probetas sometidas a esfuerzos combinados y cortante puro, se observó una deformación clara en los microvacíos generados, orientándolos en la dirección del esfuerzo cortante. Esta orientación favoreció la coalescencia de los microvacíos y resultó en una disminución de la resistencia mecánica del material. A pesar de que no se observaron diferencias notables en la morfología de la superficie de fractura entre las probetas sometidas a 60° y 90° debido a la predominancia del esfuerzo cortante, se destacó una clara diferencia en comparación con la morfología de la probeta sometida a 0°. Estos resultados sugieren que la orientación del esfuerzo biaxial tiene un impacto significativo en los mecanismos de fractura y la resistencia del material.

INTRODUCCIÓN

Tradicionalmente el diseño de componentes mecánicos fabricados en acero laminado está basado en teorías de falla que han sido desarrolladas bajo la suposición de un comportamiento isotrópico del material y, por lo tanto, requieren únicamente de la caracterización de su comportamiento mecánico mediante ensayos de tensión uniaxial. Sin embargo, la información obtenida del material bajo condiciones uniaxiales se limita para algunas operaciones de fabricación, siendo esto de poca utilidad en la obtención de una caracterización completa de elementos mecánicos que experimentan condiciones de esfuerzo plano, ya sea producto de condiciones de servicio con cargas combinadas de flexión torsión y carga axial 1, o por procesos de conformado plástico durante su fabricación. Los ensayos mecánicos a carga biaxial surgen como una alternativa para obtener información del comportamiento mecánico de materiales laminados bajo estados tensoriales de esfuerzo plano a partir del principio de descomposición de fuerzas aplicadas en direcciones ortogonales sobre una probeta plana de geometría personalizada 2. La información de este tipo de ensayos permite reducir el factor de seguridad de los componentes y realizar diseños más livianos, así como reducir los costos y tiempo de los procesos de conformado plástico 3,4.

Con el avance en el desarrollo de nuevas técnicas experimentales y computacionales, diferentes autores han propuesto nuevas metodologías híbridas experimental-computacional para estudiar la variación del campo de esfuerzos en materiales dúctiles a partir de la utilización de probetas y dispositivos mecánicos especializados como el tipo Arcan (1, 3, 4).