Daño bajo solicitaciones de contacto y resistencia mecánica residual de carburos cementados

Abstract

Los carburos cementados, materiales también conocidos por el nombre de metal duro, presentan excelentes propiedades tribomecánicas debido a la sinergia existente entre elevada dureza y rigidez aportadas por las partículas cerámicas y moderada, pero suficiente, tenacidad aportada por un aglomerante metálico. Debido a estas propiedades, los carburos cementados son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones como componentes estructurales y materiales de herramientas. Sin embargo, en muchas ocasiones su empleo generalizado se ve limitado por la falta de información sobre la tolerancia al daño de dichos componentes y herramientas. Esto es particularmente cierto en el caso de las solicitaciones de contacto, uno de los modos de carga más comunes para las aplicaciones de metales duros. El comportamiento mecánico de los carburos cementados ha sido ampliamente estudiado tomando en cuenta los defectos pre-existentes en el material (daños intrínsecos). Sin embargo, la información sobre los efectos del daño inducido en servicio (daños extrínsecos) en la integridad estructural de estos materiales es escasa. El daño se puede introducir en materiales bajo solicitaciones de contacto, tanto monotónicas como cíclicas, mediante la técnica de indentación Hertziana. Para una carga umbral de indentación, se pueden generar dos típos de daño: aparición de grietas cónicas (comportamiento frágil) y deformación cuasi-plástica (comportamiento dúctil). Este trabajo tiene como objetivo el estudio de este daño inducido en metales duros, y las consecuencias del mismo en la resistencia mecánica del material. Para ello, se observa la evolución del daño inducido por contacto, tanto en la superficie como en la sub-superficie de los materiales, previamente a la evaluación de la resistencia residual de fractura. El trabajo se lleva a cabo en dos calidades de metales duros de microestructura diferente (grano fino y submicrométrico) con la idea de poder evaluar la influencia de la microestructura en el comportamiento mecánico de estos materiales. Se estableció que al incrementar el tamaño de grano del carburo y el contenido de cobalto, el comportamiento del metal duro frente a la indentación esférica, tanto con cargas monotónicas como cíclicas, es cada vez más cuasi-plástico. Materiales de comportamiento exclusivamente cuasi-plástico sufren una degradación de resistencia gradual y suave a medida que aumenta la carga monotónica. En fatiga, la degradación es aún menos pronunciada, reflejando así la relativamente alta tolerancia al daño de estos materiales. Sin embargo, la pérdida de resistencia aumenta a 106 ciclos, debido a la formación de grietas radiales, indicando una susceptibilidad de acumulación de microdaño en el material. El material más duro sufre un estado de daño mixto con aparición de grietas cónicas (para cargas monotónicas elevadas y, en fatiga, para números de ciclos bajos) y deformación cuasiplástica. Se sospecha que la aparición de grietas cónicas causa una caída en la resistencia mecánica, efectivamente observada para la carga crítica bajo solicitaciones monotónicas, igual que para un número de ciclos bajo. Sin embargo, al extenderse las zonas cuasi-plásticas (en fatiga, para números de ciclos altos), los mismos pueden interactuar con la fisura cónica para neutralizar su efecto dañoso, de manera que la resistencia mecánica se recupera.