Fractura en fundición de hierro con grafito esferoidal. Análisis experimental y modelado multi-escala

Abstract

Esta tesis tiene como objetivo avanzar en el entendimiento de los procesos de fractura de las fundiciones de grafito esferoidal (FGE). El estudio se aborda de forma integral, cambiando trabajo experimental y de modelado computacional. Las actividades desarrolladas se agrupan en tres secciones principales: La primera sección, involucra una detallada caracterización experimental de la fractura de FE de diferentes matrices y ante solicitaciones cuasi-estáticas y dinámicas. A partir de los resultados de análisis fractográficos se determinan los modos de fractura predominantes, y se genera una extensa base de datos experimentales que sirve para configurar y validar los modelos computacionales de la tercera sección. En esta etapa de estudio se comprueba que la heterogeneidad del material, que incluye una dispersión de partículas esferoidales de grafito de decenas de micrones de diámetro, microsegregación química, precipitados y microhuecos, conduce a mecanismos de fractura de características complejas. Se proponen metodologías para la determinación de la dirección de propagación de la fisura principal. El primer método es aplicable a las superficies que evidencian un modo de fractura predominantemente dúctil, en donde la dirección de propagación se identifica a partir de la deformación plástica de la matriz metálica que rodea a los nódulos de grafito. El segundo método es aplicable a superficies que evidencian un modo de fractura frágil, en donde la dirección de propagación de la fisura principal se identifica mediante el examen cuidadoso de los cauces de río a lo largo de las facetas de clivaje. Los resultados de esta sección ponen en evidencia la complejidad del análisis de la fractura en FGE y la conveniencia de utilizar métodos numéricos para avanzar en la comprensión de este tema. La segunda sección involucra una caracterización microestructural y mecánica detallada, tanto a nivel macroscópico como microscópico de FGE de matriz ferrítica. La caracterización microestructural comprende la identificación las zonas microsegregadas en la matriz y el relevamiento del tamaño, morfología y distribución espacial de los nódulos de grafito. La caracterización mecánica comprende el relevamiento de los parámetros constitutivos del comportamiento elasto-plástico de la FGE a nivel macroestructural y de sus micronstituyentes a nivel microestructural. La caracterización en la escala macroscópica se realiza utilizando ensayos de tracción estándar, mientras que en la escala micro se utilizan técnicas de micro y nanoindentación instrumentada y microscopia de fuerza atómica, en combinación con análisis de elementos finitos. Se analizan también los micromecanismos de daño, observándose que, la etapa temprana de daño es dominada por la decohesión matriz-nódulo. Por su parte, la falla final del material responde a mecanismos de nucleación y coalescencia de microhuecos. La tercera sección de esta tesis involucra el modelado computacional multiescala del comportamiento mecánico de FGE ferríticas. En primer lugar se especializan e implementan herramientas de análisis multiescala para homogenizar el comportamiento en el rango elástico. Se utiliza para esto de un esquema de homogenización asintótico implementado con elementos finitos que se vale de modelos de la microestructura tomadas de micrografías para reproducir las geometrías reales. Las propiedades de las fases se especifican según los datos del análisis experimental. El elemento de volumen representativo (RVE) se dimensiona en términos de la anisotropía del tensor elástico macroscópico homogeneizado y la invariancia y dispersión de los valores homogeneizados para el módulo de Young y la relación de Poisson. Los resultados de la homogenización de los modelos, que no se valen de ningún parámetro de ajuste o calibración, están en excelente acuerdo con los resultados experimentales. En segundo lugar, se realiza un modelado multiescala de la evolución del daño temprano de FGE ferrítica, el que considera el comportamiento elastoplástico de la matriz y la decohesión del nódulo de grafito. Este análisis se realiza utilizando una novedosa Formulación Multiescala Orientada a Falla que incorpora interfaces cohesivas para modelar la decohesión de los nódulos en la microescala. Como en el caso del análisis elástico, la geometría de los modelos y las propiedades de sus microconstituyentes se especifican a partir de los resultados experimentales. El análisis multiescala se utiliza para estimar las propiedades cohesivas de la interface matriz-nódulo. Como resultado, se especifican rangos de valores para la tensión crítica y la energía de fractura de la interface, para los que el modelo reproduce los comportamientos micro y macro mecánicos observados en el análisis experimental. De esta forma, el modelado contribuye no solo a un mejor entendimiento del mecanismo de daño, sino a estimar propiedades que no pueden ser medidas experimentalmente. Los resultados de la tesis permiten avanzar en la comprensión de los procesos de fractura en FGE. No se encuentran en la bibliografía antecedentes sobre estudios la fractura de FGE como los realizados en este trabajo, el que resulta en contribuciones originales tanto en el campo de materiales como en el campo de la mecánica computacional. Se demuestra la viabilidad de combinar de forma sinérgica, herramientas experimentales y computacionales de análisis multiescala para estudiar los micromecanismos de daño y fractura. Las metodologías experimentales y computacionales desarrolladas cuentan con un importante potencial para ser aplicadas y extendidas a la etapa avanzada de daño de FGE ferrítica, así como a otros tipos de FGE y materiales.