Estudio del comportamiento a la fatiga de un acero estructural AISI 4340 con un recubrimiento nanoestructurado obtenido por PAPVD

Abstract

El presente trabajo se llevó a cabo a fin de determinar el efecto de un recubrimiento de BALINIT® HELICA (de base Al-Cr), depositado mediante la técnica PAPVD, en el límite de fatiga de un acero AISI 4340 templado y revenido, evaluado en condiciones de flexión rotativa. Las muestras recubiertas fueron analizadas desde el punto de vista de su condición superficial y se determinó la dureza absoluta del recubrimiento a través de técnicas de microindentación, siendo esta de aproximadamente 50 GPa. Un ensayo de tracción de una muestra recubierta indicó un aumento aparente de 12% en el esfuerzo de fluencia y una disminución del 22% en el esfuerzo real a carga máxima, en comparación con el material sin recubrir. El límite de fatiga fue evaluado en el intervalo de esfuerzos alternantes máximos de 485-565 MPa, dependiendo de la condición del material. Se determinó que la presencia del recubrimiento da lugar a una disminución de 15% en el límite de fatiga en comparación con el acero sin recubrir. Se evaluó el efecto de la aplicación de cargas cíclicas al material, en las propiedades mecánicas estáticas del mismo, empleándose muestras sometidas a 5 x 106 ciclos, determinándose un leve aumento de 7% en el esfuerzo real a carga máxima y una disminución significativa de 66% en la deformación real a carga máxima. El estudio fractográfico permitió analizar en detalle las diferentes zonas características de la superficie de fractura, determinándose el rol del recubrimiento en el proceso de falla por fatiga del material.

The present work has been carried out in order to determine the effect of a BALINIT® HELICA coating (Al-Cr base film), deposited by means of PAPVD, on the fatigue limit of a quenched and tempered AISI 4340 steel substrate, tested under rotating-bending conditions. The coated samples were analyzed from the surface quality viewpoint and the absolute hardness of the coating was determined from microindentation tests. A value of approximately 50 GPa has been found for such a property. A tensile test conducted on a coated sample indicated an apparent increase of 12% in the yield stress and a decrease in 22% in the true ultimate tensile stress, in comparison with the uncoated samples. The fatigue limit was evaluated in the range of maximum alternating stresses of 485-565 MPa, depending on the material condition. It has been found that the presence of the coating gives rise to a decrease of 15% in the fatigue limit, in comparison with the uncoated substrate. The effect of cyclic loading on the static mechanical properties of the material has also been evaluated employing samples that underwent 5 x 106 cycles. It has been determined that such a loading history gives rise to a slight increase of 7% in the true ultimate tensile stress and a significant decrease of 66% true ultimate tensile strain. The fractographic analysis allowed a detailed examination of the fracture surfaces of the tested samples and the determination of the coating role on the fatigue fracture mechanism of the coated specimens.