MODELACIÓN NUMÉRICA DE LA TASA Y EL PATRÓN DE DESGASTE EN UN ACERO SAE 4340

Abstract

Con el fin de realizar una simulación numérica del ensayo normado ASTM G65, que consiste en un sistema rueda-arena-probeta, donde la arena desgasta la probeta con una energía proporcionada por la rueda, se realizaron ensayos de laboratorio y computacionales para en primer lugar caracterizar los materiales presentes en la simulación y en segundo lugar calibrar los parámetros que le otorgan las propiedades físicas y mecánicas a los mismos materiales. Los ensayos numéricos consistieron en la aplicación del Método de los Elementos Discretos, para modelar el comportamiento y posteriormente comparar con ensayos reales. En específico, para caracterizar este material se realizaron ensayos de granulometría, para detectar las fracciones de arena según tamaño, plano inclinado, para estimar a priori el coeficiente de roce entre superficies, rodadura, para simular partículas con geometría irregular como partículas esféricas dentro del software y rebote, para estimar el coeficiente de restitución entre superficies. Posteriormente se realizó una calibración de las propiedades, este proceso se llevó a cabo mediante, en primera instancia, un ensayo del ángulo de reposo, descubriéndose que el material no solo estaba influenciado por los coeficientes de roce entre partículas y entre partículas y paredes, sino que también por fuerzas cohesivas, modeladas con el parámetro energía superficial. Además, se estimó que la fuerza de roce dinámica, para este caso, resulta ser un 20% menor que la fuerza de roce estática. La segunda parte de la calibración consistió en contrastar los resultados obtenidos en el ensayo ASTM G65 y simulaciones del mismo para estimar los coeficientes de roce entre las partículas y la rueda de desgaste y probeta. El desarrollo de las simulaciones del ensayo presentó una serie de problemas, entre los que se encuentran el traspaso de las partículas sobre la rueda de desgaste y la dificultad de simular las partículas con un Módulo de Young real, las soluciones a estos fueron el aumento del Módulo de Young de la rueda al doble y la disminución del Módulo de Young de las partículas dos órdenes de magnitud, estimándose una perdida en la precisión menor al 4 %. Finalmente se estimó el coeficiente de desgaste acelerado de la probeta utilizando la Ley de Archard, mediante una simulación de 1 s y considerando el desgaste provocado sobre una probeta de acero SAE 4340 en un ensayo de 392 s.