Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 6 (1): e245. Enero-Marzo, 2023. https://doi.org/10.37636/recit.v6n1e245
ISSN: 2594-1925
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Artículo de investigación
Relación entre el crecimiento y la temperatura en la punta
de la grieta por fatiga en acero AISI 1018
Relationship between growth and temperature at the tip of the
fatigue crack in AISI 1018 steel
Darío Antonio García Lavariega1, Arturo Abúndez Pliego 1, Christian Jesús García López2
, Jan Mayén Chaires3
1Tecnológico Nacional de México/CENIDET, Int. interior Internado Palmira, CP. 62490, Cuernavaca,
Morelos, México.
2Instituto Politécnico Nacional CIITEC-IPN, Cerrada de Cecati S/N Col. Sta. Catarina, CP. 78395,
Azcapotzalco, CDMX, México.
3CONACYT-CIATEQ A.C., Zona Industrial, Eje 126 No. 225, CP. 78395, San Luis Potosí, SLP,
México.
Autor de correspondencia: Darío Antonio García Lavariega, Tecnológico Nacional de México / Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), Interior Internado Palmira, CP. 62490, Cuernavaca, Morelos, México. E-
mail: m20ce049@cenidet.tecnm.mx. ORCID: 0009-0008-2498-0134.
Recibido: 15 de Febrero del 2023 Aceptado: 18 de Marzo del 2023 Publicado: 24 de Marzo del 2023
Resumen. - En este artículo se presenta un estudio sobre la relación que existe entre el comportamiento del
crecimiento de grieta por fatiga y la evolución de la temperatura en la punta de grieta en un acero AISI 1018.
Tanto la longitud de la grieta como la temperatura se obtuvieron experimentalmente de ensayos de fatiga de
acuerdo a la norma ASTM E647. La temperatura se midió simultáneamente a través de termopares y termografía
infrarroja, mientras que la longitud de la grieta se midió a través de un microscopio. Los datos experimentales se
procesaron para obtener curvas de ciclos contra temperatura y ciclos contra longitud de grieta para posteriormente
correlacionar la información y obtener, por regresión lineal de los datos experimentales, un modelo para
relacionar la temperatura con la longitud de la grieta. Los resultados muestran que el modelo propuesto está en
buena concordancia con los datos experimentales y permite estimar la tendencia y la magnitud de la temperatura
al crecer la grieta.
Palabras clave: Crecimiento de grietas; Temperatura; Fatiga de metales; Termopares; Cámara termográfica.
Abstract. - In this work, a study dealing with the correlation between the fatigue crack growth behavior and the
temperature evolution at the tip of the fatigue crack of the AISI 1018 steel is presented. Both the crack length and
the temperature at the crack tip were experimentally obtained from a fatigue test carried out according to the ASTM
E647; the temperature at the crack tip was simultaneously acquired by thermocouples and infrared thermography,
while the crack length was acquired through a microscope. The experimental data were processed aimed at plotting
the curves of the temperature against cycles as well as the crack length against cycles in order to be able to correlate
the information and, therefore, to obtain by linear regression of the experimental data a model to correlate the
temperature at the crack tip to the crack length. The results showed that, on one hand, the linear regression is in
good agreement with the experimental data, and, on the other hand, the proposed model allows estimating the trend
and the magnitude of the temperature when the crack grows.
Keywords: Crack growth; Temperature; Metal fatigue; Thermocouples; Thermographic camera.
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1. Introducción
Los primeros estudios sobre fatiga fueron
documentados por Albert [1] desde 1937, y desde
entonces hasta la actualidad es un tema de gran
interés entre la comunidad científica. Todo este
interés tiene su motivación en el hecho de que el
fenómeno de fatiga es común en las fallas de
materiales. Zerbst et al [2] reportaron que entre
el 80 y el 90% de los casos registrados de fallas
estructurales tienen a la fatiga como la causa.
Esto se manifiesta en estructuras y componentes
de máquinas, usadas en áreas como las
ingenierías aeroespacial, civil y mecánica [3]. La
mayoría de los componentes mecánicos que se
someten a cargas cíclicas son susceptibles a
desarrollar grietas y eventualmente causar fallas
por fractura, que a menudo ocurren sin previo
aviso y con consecuencias catastróficas [1].
En la fatiga se desarrollan esfuerzos cíclicos a
través del tiempo, que degradan el material hasta
el punto en que las pequeñas grietas se nuclean.
Después la grieta comienza a propagarse y
termina en la ruptura final de la pieza [4]. El
estudio de la propagación de grietas por fatiga es
importante, debido que de ahí depende la
seguridad de las partes mecánicas y estructurales,
para evitar accidentes que conducen a pérdidas
económicas, humanas y ambientales.
2. Antecedentes
Paris y Erdogan [5] fueron los primeros
investigadores que utilizaron el factor de
intensidad de esfuerzos para determinar una
relación entre la condición de carga, la longitud
de grieta y la velocidad de propagación. La ley
de París es el tratamiento de resultados de
muchos datos experimentales en el marco de la
solución elástica del problema de propagación de
grietas. Como consecuencia, esta ley no explica
la naturaleza física del proceso de propagación de
grietas en los metales e inicia muchas discusiones
científicas e intentos de derivar una descripción
alternativa de la ley de propagación de grietas.
Recientemente, se han propuesto enfoques
experimentales para evaluar la propagación de
grietas [6,7], principalmente a partir del
desarrollo de las técnicas modernas de medición
de la temperatura, la cual, como se reporta
ampliamente en la literatura [8-12], se puede
correlacionar con la propagación de grieta por
fatiga debido a que una gran variedad de estudios
demuestran que, en la mayoría de los materiales
metálicos, la energía de histéresis por
deformación plástica se convierte en calor, como
se reportó en el trabajo de Meneghetti et al [13].
Por lo anterior, se considera que la mayor parte
de la energía mecánica de entrada se disipa en
forma de calor y eleva la temperatura del material
y, en el caso particular de la etapa de propagación
de grieta, existe una distribución de temperatura
que alcanza su valor máximo en la vecindad de
la punta de la grieta, como lo demostraron
Pandey y Chand [14].
Actualmente es posible encontrar trabajos como
el de Meneghetti y Ricotta [15], quienes, a través
de la medición de la temperatura en probetas
sometidas a fatiga, demostraron que existe
disipación de calor en la punta de la grieta, por lo
que la medición de temperatura por termografía
se ha aplicado ampliamente en la investigación
del comportamiento a fatiga en los últimos años
[16-18].
Resultados de trabajos recientes demuestran que,
a medida que crece la grieta, hay un aumento de
la temperatura superficial de la probeta, lo cual
plantea la necesidad de comprender los
fenómenos físicos en la propagación de grietas
por fatiga desde el punto de vista de la
Termodinámica. Un ejemplo es el trabajo de Idris
et al [19], quienes midieron simultáneamente la
temperatura y la longitud de la grieta durante los
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ensayos de crecimiento de grietas por fatiga hasta
la ruptura, bajo condiciones de carga de amplitud
constante y variable. Hajshirmohammadi y
Khonsari [20] reportaron un modelo matemático
para determinar la tasa de propagación de grietas,
el cual considera la temperatura superficial de la
probeta como variable.
Por lo anterior, en el presente estudio se propone
la medición de la temperatura en la vecindad de
la punta de la grieta durante la propagación de la
grieta por fatiga bajo una carga de modo I de
amplitud constante para un acero AISI 1018 bajo
condiciones de esfuerzo plano para correlacionar
el comportamiento del crecimiento de grieta y la
evolución de la temperatura en la punta de la
grieta.
3. Metodología
Se realizaron 2 ensayos experimentales de
crecimiento de grieta por fatiga bajo la norma
ASTM E647 [21], en la que menciona que se
debe realizar los ensayos en dos etapas:
preagrietamiento y propagación de grietas. En la
etapa de preagrietamiento, la norma ASTM E647
[21] especifica que la longitud inicial de pregrieta
corresponde a la longitud del centro del orificio
de carga hasta la punta de la muesca (10 mm) que
se muestra en la Figura 1. En la etapa de
propagación de grieta, la longitud de grieta inicial
fue de 11.3 mm, que corresponde a la suma de la
longitud inicial de pregrieta y el tamaño de la
pregrieta. A partir de 11.3 mm se midieron
simultáneamente la longitud de grieta y la
temperatura en la punta de la grieta en una
probeta de tensión compacta (CT, por sus siglas
en inglés). Se realizaron intervalos de medición
de la longitud de grieta 󰇛󰇜 de 0.033 mm,
debido a que la norma ASTM E647 [21]
recomienda que para probetas CT de 40 mm de
anchura (w), los intervalos de medición deben ser
menor o igual a 1.6 mm. La temperatura se
registró en cada intervalo de longitud de grieta
con su respectivo número de ciclos.
3.1 Materiales y equipo
El material utilizado en este estudio es un acero
AISI 1018. Este tipo de acero es muy usado en
construcción de puentes, tuberías y edificios
[22]. El acero es de tipo estructural y de bajo
contenido de carbono. La composición química
del material se encuentra en la Tabla 1. Las
propiedades mecánicas y cíclicas de dicho acero
se presentan en la Tabla 2.
Tabla 1. Composición química del acero AISI 1018 [23].
% C
% Mn
% P
% S
0.15 - 0.20
0.60 - 0.90
0.040
0.05
Tabla 2. Propiedades del acero AISI 1018 [24].
200
0.29
7850
386
634
Las muestras de tensión compacta (CT) se
obtuvieron de una placa de acero AISI 1018 de
medidas 10 x 8 x 3/8 de pulgadas, la cual se
maquinó para dimensionarla de acuerdo a la
norma ASTM E647 [21] para obtener las
dimensiones que se muestran en la Figura 1. Se
seleccionó la muesca en V y se maquinó
mediante el proceso de fresado.
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Figura 1. Dimensiones de probeta de tensión compacta (CT) en mm.
Con el fin de realizar una observación adecuada
del crecimiento de la grieta en las probetas, una
de las caras de las probetas se pulió en acabado
espejo. En la otra cara se realizó un pulido menos
fino, con la finalidad de que la rugosidad de la
superficie no afectara la trayectoria de la grieta,
durante la propagación de la misma. El desbaste
se realizó con papeles abrasivos de carburo de
silicio, de tamaño de grano grueso a un tamaño
de grano muy fino (de lija #100 hasta lija #2000).
Se utilizó agua como medio de lubricación y el
pulido se realizó de forma manual. La cara menos
pulida se recubrió con una fina capa de pintura
negra rociada en la superficie para aumentar la
emisividad térmica al valor conocido de 0.98.
Para garantizar una punta de grieta aguda, fue
necesario generar un preagrietamiento sobre la
entalla. La pregrieta se generó mediante carga
cíclica de tensión-tensión. El manual ASM [25]
menciona que para ensayos de tensión-tensión, la
relación de carga debe ser mayor a 0, por lo que
recomienda una relación de 0.1. También hace
mención que las frecuencias de forma de onda
sinusoidal son más fáciles de controlar en
máquinas de ensayo equipadas con sistemas
servo hidráulicos. Las cargas aplicadas se
propusieron en ciclos de carga sinusoidal con una
frecuencia de 10 Hz y una relación de carga
.
Para el proceso de preagrietamiento, cada una de
las probetas fue sometida a cargas cíclicas en la
máquina universal MTS Landmark servo
hidráulica de circuito cerrado (ver Figura 2a), con
una celda de carga de 100 kN de capacidad (ver
Figura 2b), en modo de control de carga en
condiciones de amplitud de carga constante, ΔP.
La sujeción de las probetas (CT) se realizó en
mordazas tipo “clevis”, ajustando la altura de las
mordazas con el controlador Flextest 40 de la
máquina servo hidráulica. Los datos para
preagrietamiento de cargas máxima, mínima y
promedio, se introdujeron en una computadora
mediante el software MTS TestSuite. Con un
microscopio óptico Struers modelo PSM- 10, se
ajustó el punto de observación en la punta de la
muesca.
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Figura 2. Configuración con termopares. a) Máquina universal MTS, b) Celda de carga, c) Mordaza, d) Carro, e) Microscopio,
f) Ocular de medición, g) Lente de objetivo, h) Botón de lámpara LED, i) Termopar, j) Monitor del termopar.
La medición de la pregrieta se monitoreó con la
regla graduada incorporada en el ocular de
medición hasta que la pregrieta alcanzó 1.33 mm
de longitud. La longitud final de la pregrieta fue
determinada de acuerdo a las indicaciones que
especifica la norma ASTM E647 en el numeral
8.3.2, en el cual se sugiere que el valor mínimo
que debe tener la pre-grieta, es de 1 mm. Los
datos de ensayo para la etapa de
preagrietamiento, se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3. Condiciones de carga de preagrietamiento.
Dato
Símbolo
Valor
Carga máxima, kN
Pmáx
6.56
Carga mínima, kN
Pmin
0.656
Carga promedio, kN
Pprom
3.609
Una vez que se finalizó el proceso de
preagrietado, se realizaron los ensayos de
propagación de las grietas. Se consideró usar la
misma frecuencia de 10 Hz y una relación de
carga R=0.1, debido a recomendaciones de la
norma ASTM E647 [21]. El microscopio óptico
se ajustó en la punta de la pregrieta generada, la
cual fue la referencia de las mediciones para la
etapa de propagación de grieta. Se registraron el
número de ciclos cada 0.03 mm de avance de
grieta. La prueba se consideró finalizada cuando
la probeta se fracturó totalmente. Los datos de
cargas máxima, mínima y promedio introducidos
en la máquina de ensayos para la etapa de
propagación de grieta, se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4.
Condiciones de carga de propagación de grieta.
Dato
Símbolo
Valor
Carga máxima, kN
Pmáx
7.01
Carga mínima, kN
Pmin
0.701
Carga promedio, kN
Pprom
3.855
3.2 Medición de crecimiento de grieta
La medición de la grieta se realizó de manera
visual (ver Figura 2). Se colocó el microscopio al
frente de la muestra y con la lente de objetivo (ver
Figura 2g) se realizaron observaciones con