Desarrollo de Metodología para evaluación de desempeño a fatiga de acero para resortes automotrices

Los resortes y muelles de la suspensión automotriz están hechos de un acero de alta resistencia el cual debe ser fabricado bajo ciertos estándares de calidad, y bajo ciertas condiciones de tratamientos térmicos y superficiales para soportar las cargas cíclicas las cuales producen unas condiciones de fatiga mecánica en el componente.

El fabricante de acero produce el material en forma de alambrón (barras) las cuales certifica con una composición química y resistencia mecánica. El fabricante de resortes automotrices somete el material a deformación plástica para darle la forma y posteriormente a tratamientos térmicos para obtener las propiedades deseadas. Una vez que el resorte es formado, el componente es probado para validar su resistencia a la fatiga (cargas y descargas).

En la fabricación del acero no se tiene información precisa de cómo ciertas variables de proceso en la aceración pueden influir en el desempeño a fatiga del componente final (resorte). Por lo cual se requiere diseñar una metodología de prueba rápida en la cual se pueda simular las condiciones de manufactura (tratamiento térmico) de los resortes, y un diseño de experimentos de fatiga de material, en forma de barra, con el cual se pueda hacer una correlación de las pruebas en los resortes. Esto con la finalidad de validar el desempeño a fatiga esperado del acero previo a la producción del componente final.

Con esto, se pretende poder hacer investigación y optimizaciones en el proceso de aceración que no impacten de manera detrimental el desempeño del componente.


Antecendentes:

Existe una relación entre los defectos en materiales metálicos y su desempeño en fatiga. Las inclusiones no metálicas en los aceros (sulfuros, silicatos, óxidos, etc) pueden desempeñar un papel importante en la resistencia a la fatiga de los aceros ya que pueden actuar como sitios de iniciación de grietas y/o facilitar la propagación de grietas afectando la vida útil de los componentes . Para mejorar la resistencia a la fatiga se implementan prácticas de control de inclusiones durante la producción de acero. Esto implica utilizar métodos de refinación y desgasificación para reducir la cantidad de inclusiones no deseadas ​[1]​.
Se ha reportado que el alto contenido de sulfuros tiene un efecto adverso en el comportamiento en fatiga de piezas transversales, sobre todo en el régimen de larga vida. Esta diferencia es mayor para más altos niveles de dureza ​[2]​.
Se han desarrollado modelos basados en la distribución de las inclusiones y métodos estadísticos para estimar los ciclos a fatiga de o la disminución del límite de fatiga de los materiales ​[3–5]​. También hay metodologías para predicción del límite de fatiga por medio de pruebas. Una de estas es el método de escalera (staircase) en conjunto con un análisis de datos por medio de mínimos cuadrados desarrollado por Dixon and Mood ​[6]​.

Se ha demostrado la influencia de clusters de inclusiones en las superficies de falla. Pessard et al encontraron que cuando las inclusiones son paralelas a la aplicación de la carga la iniciación de microgrietas está controlada por el material matriz. A 45° y 90° las inclusiones de sulfuro de manganeso elongadas durante la laminación son el origen de las grietas y la resistencia a la fatiga disminuye considerablemente ​[7]​. Resultados similares se observaron en otros estudios ​[8]​​[9]​
Es bien conocido que el acabado superficial influye en la resistencia a la fatiga de los materiales siendo mejor el desempeño en piezas pulidas (con baja rugosidad). En un estudio realizado por Saberifar et al ​[10]​ se reportó que las inclusiones no metálicas fueron el origen predominante en la formación de grietas en piezas tanto pulidas como rugosas; esto justificó con el cálculo del concentrador de esfuerzos generado por la rugosidad de ambas superficies y las inclusiones no metálicas. Además, se encontró que para cierto esfuerzo dado el tamaño crítico de inclusión podía incrementar al eliminar la rugosidad superficial.
Dada la revisión anterior, se entiende la necesidad de investigar sobre el efecto de las inclusiones no metálicas en aceros en aceros particulares y para aplicaciones específicas considerando diferentes factores como los tratamientos térmicos, la forma de aplicación de la carga con respecto al sentido de la laminación, el acabado superficial, entre otras. Estos son aspectos que se cubren en el presente proyecto.

En la fabricación del acero no se tiene información precisa de cómo ciertas variables de proceso en la aceración pueden influir en el desempeño a fatiga del componente final (resorte). Por lo cual se requiere diseñar una metodología de prueba rápida en la cual se pueda simular las condiciones de manufactura (tratamiento térmico) de los resortes, y un diseño de experimentos de fatiga de material, en forma de barra, con el cual se pueda hacer una correlación de las pruebas en los resortes. Esto con la finalidad de validar el desempeño a fatiga esperado del acero previo a la producción del componente final.