Diseño de probetas para evaluar la ductilidad de cobre con distinta pureza

Abstract

El mineral de Cobre, muy importante para nuestro país, es extraído por muchas de las empresas mineras en Chile, siendo Codelco la más importante. El principal producto son los cátodos de cobre, que presentan niveles de pureza superiores a 99,99%. Estos cátodos se venden a diversas plantas manufactureras extranjeras de alambrón, las que posteriormente producen cables y alambres. Para obtener el alambrón, se aplica a los cátodos una serie de procesos de transformación, los que pueden alterar el contenido inicial de impurezas presentes. El principal problema que pueden generar estas impurezas es una disminución en las propiedades mecánicas del Cobre como, por ejemplo, reducir su ductilidad. Tales impurezas pueden presentarse disueltas, segregadas o en forma de precipitados, en una matriz dúctil de cobre. El objetivo del presente trabajo es determinar una geometría de probeta de tracción sensible al efecto de fragilización asociado a la presencia de impurezas en el cobre. Para tal efecto, se diseñaron probetas que concuerdan con las normas internacionales. Después, tales probetas se modelaron mediante elementos finitos y se realizaron ensayos de tracción en probetas de diferente geometría, con distinta pureza de cobre, junto con el pertinente análisis fractográfico. Finalmente, se analizó el conjunto de los resultados y se determinó la mejor geometría de probeta para el objetivo fijado. A partir de normas internacionales de ensayos de tracción para probetas con entalle, se diseñaron probetas entalladas con dos geometrías distintas, cilíndricas y planas, las que podían presentar 2 tipos de ángulos de entalle, 60 o 90 grados. Dichas probetas poseen un área central reducida que genera una zona de concentración de esfuerzos con una componente de tracción triaxial, donde deben activarse los mecanismos de fractura, los cuales son sensibles a la presencia de impurezas. Se realizaron 29 experiencias de tracción en probetas de diferentes cobres (cátodo, blíster, ánodo y cobre comercial 99,99%), para caracterizar experimentalmente las probetas diseñadas. Además, a las probetas ensayadas se les realizó análisis químico, por descarga luminiscente de espectrometría de masas (GDMS), análisis de gas instrumental (IGA), y también análisis fractográfico, en un microscopio electrónico de barrido equipado con espectroscopía por Rayos X (EDS). La etapa crítica del presente trabajo fue la correlación de los resultados obtenidos experimentalmente con lo obtenido con la modelación por elementos finitos, de una probeta cuya geometría optimice la sensibilidad del material a la deformación. En cuanto a los resultados experimentales, la geometría más sensible a la presencia de impurezas resultó ser la cilíndrica; además, ángulos más agudos de entalle presentan una mayor sensibilidad a las impurezas. Este tipo de probetas también presentó el mayor grado de triaxialidad en la simulación por elementos finitos.