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AR Archivos mensuales: marzo 2020
Límite elástico y resistencia a la tracción del acero y el aluminio
Importancia de la medición del límite elástico y la resistencia última a la tracción mediante indentación
Tradicionalmente, el límite elástico y la resistencia última a la tracción se han ensayado utilizando una gran máquina de ensayos de tracción que requiere una enorme fuerza para separar las muestras de ensayo. Es costoso y requiere mucho tiempo mecanizar adecuadamente muchos cupones de ensayo para un material en el que cada muestra sólo puede ensayarse una vez. Pequeños defectos en la muestra crean una variación notable en los resultados de las pruebas. Las diferentes configuraciones y alineaciones de las máquinas de ensayos de tracción existentes en el mercado suelen dar lugar a variaciones sustanciales en la mecánica y los resultados de los ensayos.
El innovador método de indentación de Nanovea proporciona directamente valores de límite elástico y resistencia última a la tracción comparables a los valores medidos mediante ensayos de tracción convencionales. Esta medición abre un nuevo campo de posibilidades de ensayo para todas las industrias. La sencilla configuración experimental reduce significativamente el tiempo y el coste de preparación de la muestra en comparación con la compleja forma de cupón necesaria para los ensayos de tracción. Es posible realizar múltiples mediciones en una sola muestra con un tamaño de indentación pequeño. Evita la influencia de los defectos que se observan en los cupones de ensayo de tracción creados durante el mecanizado de la muestra. Las mediciones de YS y UTS en muestras pequeñas en áreas localizadas permiten la cartografía y la detección de defectos locales en tuberías o estructuras de automóviles.
Objetivo de medición
En esta aplicación, el Nanovea Comprobador mecánico mide el límite elástico y la resistencia última a la tracción de muestras de acero inoxidable SS304 y de aleación metálica de aluminio Al6061. Las muestras se eligieron por sus valores de límite elástico y resistencia a la tracción máxima comúnmente reconocidos, lo que demuestra la fiabilidad de los métodos de indentación de Nanovea.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
Las pruebas de límite elástico y resistencia a la tracción se realizaron en el Nanovea Mechanical Tester en el Microindentación modo. Para esta aplicación se utilizó una punta de diamante plana cilíndrica de 200 μm de diámetro. Se seleccionaron las aleaciones SS304 y Al6061 por su amplia aplicación industrial y sus valores comúnmente reconocidos de límite elástico y resistencia última a la tracción, con el fin de mostrar el gran potencial y fiabilidad del método de indentación. Las muestras se pulieron mecánicamente hasta conseguir un acabado de espejo antes de realizar las pruebas para evitar que la rugosidad de la superficie o los defectos influyeran en los resultados de las pruebas. Las condiciones de ensayo se enumeran en la Tabla 1. Se realizaron más de diez ensayos con cada muestra para garantizar la repetibilidad de los valores de ensayo.
Resultados y debate
Las curvas de carga-desplazamiento de las muestras de aleación SS304 y Al6061 se muestran en la Figura 3 con las huellas de los penetradores planos en las muestras de ensayo. El análisis de la curva de carga en forma de "S" mediante algoritmos especiales desarrollados por Nanovea calcula el límite elástico y la resistencia a la tracción. Los valores son calculados automáticamente por el software como se resume en la Tabla 1. Los valores de límite elástico y resistencia última a la tracción obtenidos mediante ensayos de tracción convencionales se enumeran a efectos comparativos.
Conclusión
En este estudio, mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para evaluar el límite elástico y la resistencia última a la tracción de muestras de chapa de acero inoxidable y aleación de aluminio. La sencilla configuración experimental reduce significativamente el tiempo y el coste de la preparación de muestras necesaria para los ensayos de tracción. El pequeño tamaño de la indentación permite realizar múltiples mediciones en una sola muestra. Este método permite realizar mediciones de YS/UTS en muestras pequeñas y áreas localizadas, lo que constituye una solución para la cartografía de YS/UTS y la detección de defectos locales en tuberías o autoestructuras.
Los módulos Nano, Micro o Macro del Nanovea Mechanical Tester incluyen modos de indentación, rayado y desgaste conformes con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de ensayos más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La gama inigualable de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades mecánicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluida la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adherencia, la resistencia al desgaste y muchas otras. Además, se dispone de un perfilador 3D sin contacto y un módulo AFM opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de la indentación, el rayado y la huella de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.
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Tribología de carga dinámica
Tribología de carga dinámica
Introducción
El desgaste se produce en prácticamente todos los sectores industriales e impone unos costes de ~0,75% del PIB1. La investigación tribológica es vital para mejorar la eficiencia de la producción y el rendimiento de las aplicaciones, así como para conservar el material, la energía y el medio ambiente. La vibración y la oscilación son inevitables en una amplia gama de aplicaciones tribológicas. Una vibración externa excesiva acelera el proceso de desgaste y reduce el rendimiento de servicio, lo que provoca fallos catastróficos en las piezas mecánicas.
Los tribómetros convencionales de carga muerta aplican cargas normales mediante pesos másicos. Dicha técnica de carga no sólo limita las opciones de carga a una carga constante, sino que también crea intensas vibraciones incontroladas a altas cargas y velocidades, lo que conduce a evaluaciones limitadas e inconsistentes del comportamiento de desgaste. Una evaluación fiable del efecto de la oscilación controlada en el comportamiento de desgaste de los materiales es deseable para I+D y control de calidad en diferentes aplicaciones industriales.
La innovadora alta carga de Nanovea tribómetro tiene una capacidad de carga máxima de 2000 N con un sistema de control dinámico de la carga. El avanzado sistema de carga neumática por aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material sometido a cargas normales elevadas con la ventaja de amortiguar las vibraciones no deseadas creadas durante el proceso de desgaste. Por lo tanto, la carga se mide directamente sin necesidad de los muelles amortiguadores utilizados en diseños más antiguos. Un módulo de carga oscilante de electroimán paralelo aplica una oscilación bien controlada de amplitud deseada de hasta 20 N y frecuencia de hasta 150 Hz.
La fricción se mide con gran precisión directamente a partir de la fuerza lateral aplicada al soporte superior. El desplazamiento se controla in situ, lo que permite conocer la evolución del comportamiento de desgaste de las muestras de ensayo. El ensayo de desgaste bajo carga de oscilación controlada también puede realizarse en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones reales de trabajo de las aplicaciones tribológicas. Una unidad integrada de alta velocidad perfilómetro sin contacto mide automáticamente la morfología de la huella de desgaste y el volumen de desgaste en unos segundos.
Objetivo de medición
En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 para estudiar el comportamiento tribológico de diferentes muestras de revestimiento y metal en condiciones de carga de oscilación controlada.
Procedimiento de ensayo
El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de un revestimiento resistente al desgaste de 300 µm de espesor se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro convencional de carga muerta utilizando una configuración de perno sobre disco siguiendo la norma ASTM G992.
Se evaluaron muestras separadas de Cu y TiN recubiertas contra una bola de Al₂0₃ de 6 mm bajo oscilación controlada mediante el modo de tribología de carga dinámica del tribómetro Nanovea T2000.
Los parámetros de la prueba se resumen en el cuadro 1.
El perfilómetro 3D integrado, equipado con un sensor de líneas, escanea automáticamente la pista de desgaste después de las pruebas, proporcionando la medición más precisa del volumen de desgaste en cuestión de segundos.
Resultados y debate
Sistema de carga neumática frente a sistema de carga muerta
El comportamiento tribológico de un recubrimiento resistente al desgaste utilizando el tribómetro Nanovea T2000 se compara con un tribómetro convencional de carga muerta (DL). La evolución del COF del recubrimiento se muestra en la Fig. 2. Observamos que el recubrimiento presenta un valor de COF comparable de ~0,6 durante la prueba de desgaste. Sin embargo, los 20 perfiles transversales en diferentes puntos de la pista de desgaste en la Fig. 3 indican que el revestimiento experimentó un desgaste mucho más severo bajo el sistema de carga muerta.
El proceso de desgaste del sistema de carga muerta a alta carga y velocidad generó intensas vibraciones. La enorme presión concentrada en la cara de contacto, combinada con una elevada velocidad de deslizamiento, crea una vibración sustancial del peso y la estructura que provoca un desgaste acelerado. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga utilizando pesos másicos. Este método es fiable con cargas de contacto bajas y en condiciones de desgaste leve; sin embargo, en condiciones de desgaste agresivo con cargas y velocidades más altas, la importante vibración hace que los pesos reboten repetidamente, lo que da lugar a una pista de desgaste irregular que provoca una evaluación tribológica poco fiable. La tasa de desgaste calculada es de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, lo que muestra una alta tasa de desgaste y una gran desviación estándar.
El tribómetro Nanovea T2000 está diseñado con un sistema de carga de control dinámico para amortiguar las oscilaciones. Aplica la carga normal con aire comprimido, lo que minimiza las vibraciones no deseadas creadas durante el proceso de desgaste. Además, el control de carga activo de bucle cerrado garantiza la aplicación de una carga constante durante toda la prueba de desgaste y el palpador sigue el cambio de profundidad de la huella de desgaste. Se mide un perfil de la pista de desgaste significativamente más consistente, como se muestra en la Fig. 3a, lo que da como resultado una baja tasa de desgaste de 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m.
El análisis de la pista de desgaste mostrado en la Fig. 4 confirma que la prueba de desgaste realizada por el sistema de carga neumática de aire comprimido del tribómetro Nanovea T2000 crea una pista de desgaste más suave y consistente en comparación con el tribómetro convencional de carga muerta. Además, el tribómetro Nanovea T2000 mide el desplazamiento del palpador durante el proceso de desgaste, proporcionando más información sobre el progreso del comportamiento de desgaste in situ.
Oscilación controlada en el desgaste de la muestra de Cu
El módulo de electroimán de carga oscilante paralelo del tribómetro Nanovea T2000 permite a los usuarios investigar el efecto de las oscilaciones de amplitud y frecuencia controladas en el comportamiento de desgaste de los materiales. El COF de las muestras de Cu se registra in situ como se muestra en la Fig. 6. La muestra de Cu muestra un COF constante de ~0,3 durante la primera medición de 330 revoluciones, lo que significa la formación de un contacto estable en la interfaz y una pista de desgaste relativamente suave. A medida que continúa el ensayo de desgaste, la variación del COF indica un cambio en el mecanismo de desgaste. En comparación, las pruebas de desgaste bajo una oscilación de amplitud controlada de 5 N a 50 N muestran un comportamiento de desgaste diferente: el COF aumenta rápidamente al principio del proceso de desgaste, y muestra una variación significativa a lo largo de la prueba de desgaste. Este comportamiento del COF indica que la oscilación impuesta en la carga normal desempeña un papel en el estado de deslizamiento inestable en el contacto.
La Fig. 7 compara la morfología de la huella de desgaste medida por el perfilómetro óptico integrado sin contacto. Puede observarse que la muestra de Cu sometida a una amplitud de oscilación controlada de 5 N presenta una huella de desgaste mucho mayor, con un volumen de 1,35 x 109 µm3, en comparación con 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la velocidad de desgaste en un factor de ~2,7, lo que demuestra el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento de desgaste.
Oscilación controlada en el desgaste del revestimiento de TiN
En la Fig. 8 se muestran el COF y las huellas de desgaste de la muestra de revestimiento de TiN. El revestimiento de TiN muestra comportamientos de desgaste significativamente diferentes bajo oscilación, como indica la evolución del COF durante las pruebas. El recubrimiento de TiN muestra un COF constante de ~0,3 tras el periodo de rodaje al principio de la prueba de desgaste, debido al contacto de deslizamiento estable en la interfaz entre el recubrimiento de TiN y la bola de Al₂O₃. Sin embargo, cuando el revestimiento de TiN empieza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del revestimiento y se desliza contra el sustrato de acero fresco que hay debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad significativa de restos de revestimiento duro de TiN en la pista de desgaste, lo que convierte un desgaste por deslizamiento estable de dos cuerpos en un desgaste por abrasión de tres cuerpos. Este cambio de las características de la pareja de materiales provoca un aumento de las variaciones en la evolución del COF. La oscilación impuesta de 5 N y 10 N acelera el fallo del revestimiento de TiN de ~400 revoluciones a menos de 100 revoluciones. Las mayores huellas de desgaste en las muestras de revestimiento de TiN tras las pruebas de desgaste bajo la oscilación controlada concuerdan con dicho cambio en el COF.
Conclusión
El avanzado sistema de carga neumática del tribómetro Nanovea T2000 posee una ventaja intrínseca como amortiguador de vibraciones naturalmente rápido en comparación con los sistemas tradicionales de carga muerta. Esta ventaja tecnológica de los sistemas neumáticos es cierta en comparación con los sistemas de carga controlada que utilizan una combinación de servomotores y muelles para aplicar la carga. Esta tecnología garantiza una evaluación fiable y mejor controlada del desgaste con cargas elevadas, como se demuestra en este estudio. Además, el sistema de carga activa en bucle cerrado puede cambiar la carga normal a un valor deseado durante las pruebas de desgaste para simular las aplicaciones reales que se ven en los sistemas de frenado.
En lugar de tener influencia de condiciones de vibración no controladas durante las pruebas, hemos demostrado que el tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 permite a los usuarios evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales en diferentes condiciones de oscilación controlada. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento de desgaste de las muestras de recubrimientos metálicos y cerámicos.
El módulo de carga oscilante de electroimanes paralelos proporciona oscilaciones controladas con precisión a amplitudes y frecuencias establecidas, lo que permite a los usuarios simular el proceso de desgaste en condiciones reales, cuando las vibraciones ambientales suelen ser un factor importante. En presencia de oscilaciones impuestas durante el desgaste, tanto las muestras de revestimiento de Cu como las de TiN muestran un aumento sustancial de la tasa de desgaste. La evolución del coeficiente de fricción y el desplazamiento del palpador medidos in situ son indicadores importantes del rendimiento del material durante las aplicaciones tribológicas. El perfilómetro 3D sin contacto integrado ofrece una herramienta para medir con precisión el volumen de desgaste y analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste en cuestión de segundos, proporcionando más información sobre la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste.
El T2000 está equipado con un motor autoajustable, de alta calidad y alto par, con una velocidad interna de 20 bits y un codificador de posición externo de 16 bits. Esto permite al tribómetro proporcionar una gama incomparable de velocidades de rotación de 0,01 a 5000 rpm que pueden cambiar en saltos escalonados o a velocidades continuas. A diferencia de los sistemas que utilizan un sensor de par situado en la parte inferior, el tribómetro Nanovea utiliza una célula de carga de alta precisión situada en la parte superior para medir de forma precisa y separada las fuerzas de fricción.
Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM (incluidas pruebas de 4 bolas, arandela de empuje y bloque sobre anillo), con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La incomparable gama de Nanovea T2000 es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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Análisis de la textura de la piel de naranja mediante perfilometría 3D
Análisis de la textura de la piel de naranja mediante perfilometría 3D
Introducción
El tamaño y la frecuencia de las estructuras superficiales de los sustratos afectan a la calidad de los recubrimientos brillantes. La textura de la piel de naranja, llamada así por su aspecto, puede desarrollarse por influencia del sustrato y de la técnica de aplicación de la pintura. Los problemas de textura suelen cuantificarse por la ondulación, la longitud de onda y el efecto visual que tienen en los recubrimientos brillantes. Las texturas más pequeñas provocan una reducción del brillo, mientras que las texturas más grandes dan lugar a ondulaciones visibles en la superficie recubierta. Comprender el desarrollo de estas texturas y su relación con los sustratos y las técnicas es fundamental para el control de calidad.
Importancia de la perfilometría para medir la textura
A diferencia de los instrumentos tradicionales 2D utilizados para medir la textura del brillo, la medición 3D sin contacto proporciona rápidamente una imagen 3D utilizada para comprender las características de la superficie con la capacidad añadida de investigar rápidamente las áreas de interés. Sin la velocidad y la revisión en 3D, un entorno de control de calidad dependería únicamente de información en 2D que ofrece poca previsibilidad de toda la superficie. Comprender las texturas en 3D permite seleccionar mejor las medidas de procesamiento y control. Garantizar el control de calidad de tales parámetros depende en gran medida de una inspección cuantificable, reproducible y fiable. Nanovea 3D sin contacto Perfilómetros utilizan la tecnología confocal cromática para tener la capacidad única de medir los ángulos pronunciados que se encuentran durante la medición rápida. Los perfilómetros Nanovea tienen éxito allí donde otras técnicas no proporcionan datos fiables debido al contacto de la sonda, la variación de la superficie, el ángulo o la reflectividad.
Objetivo de medición
En esta aplicación, el Nanovea HS2000L mide la textura de la piel de naranja de una pintura brillante. Hay un sinfín de parámetros de superficie que se calculan automáticamente a partir del escaneado 3D de la superficie. Aquí analizamos una superficie escaneada en 3D cuantificando las características de la textura de la piel de naranja de la pintura.
Resultados y debate
El Nanovea HS2000L cuantificó los parámetros de isotropía y altura de la pintura de piel de naranja. La textura de la piel de naranja cuantificó la dirección del patrón aleatorio con una isotropía de 94,4%. Los parámetros de altura cuantifican la textura con una diferencia de altura de 24,84µm.
La curva de coeficiente de carga de la figura 4 es una representación gráfica de la distribución de la profundidad. Se trata de una función interactiva del software que permite al usuario ver distribuciones y porcentajes a distintas profundidades. Un perfil extraído en la Figura 5 proporciona valores de rugosidad útiles para la textura de la piel de naranja. La extracción de picos por encima de un umbral de 144 micras muestra la textura de la piel de naranja. Estos parámetros pueden ajustarse fácilmente a otras zonas o parámetros de interés.
Conclusión
En esta aplicación, el perfilómetro 3D sin contacto Nanovea HS2000L caracteriza con precisión tanto la topografía como los detalles nanométricos de la textura de la piel de naranja en un revestimiento brillante. Las áreas de interés de las mediciones de superficie 3D se identifican y analizan rápidamente con muchas mediciones útiles (Dimensión, Rugosidad Textura de Acabado, Forma Topografía, Planitud Alabeo Planaridad, Área de Volumen, Paso-Altura, etc.). Las secciones transversales 2D elegidas rápidamente proporcionan un conjunto completo de recursos de medición de superficies en textura brillante. Las áreas especiales de interés pueden analizarse más a fondo con un módulo AFM integrado. La velocidad del perfilómetro 3D Nanovea oscila entre <1 mm/s y 500 mm/s, por lo que es adecuado tanto para aplicaciones de investigación como para las necesidades de inspección a alta velocidad. Los perfilómetros 3D Nanovea disponen de una amplia gama de configuraciones para adaptarse a su aplicación.
