En ciencia de materiales y mecánica de sólidos , las tensiones residuales son tensiones que permanecen en un material sólido después de que se ha eliminado la causa original de las tensiones. El estrés residual puede ser deseable o indeseable. Por ejemplo, el granallado por láser imparte tensiones residuales de compresión profundas y beneficiosas en componentes metálicos, como las aspas de los ventiladores de los motores de turbinas, y se utiliza en vidrio templado para permitir pantallas de vidrio grandes, delgadas y resistentes a grietas y rayones en teléfonos inteligentes . Sin embargo, la tensión residual no deseada en una estructura diseñada puede provocar que falle prematuramente.
Las tensiones residuales pueden resultar de una variedad de mecanismos que incluyen deformaciones inelásticas ( plásticas ) , gradientes de temperatura (durante el ciclo térmico) o cambios estructurales ( transformación de fase ). El calor de la soldadura puede causar una expansión localizada, que es absorbida durante la soldadura por el metal fundido o por la colocación de las piezas que se están soldando. Cuando la pieza soldada terminada se enfría, algunas áreas se enfrían y se contraen más que otras, dejando tensiones residuales. Otro ejemplo ocurre durante la fabricación de semiconductores y microsistemas [1] cuando se depositan secuencialmente materiales de película delgada con diferentes propiedades térmicas y cristalinas bajo diferentes condiciones de proceso. La variación de la tensión a través de una pila de materiales de película delgada puede ser muy compleja y puede variar entre tensiones de compresión y tracción de una capa a otra.
Si bien las tensiones residuales no controladas no son deseables, algunos diseños dependen de ellas. En particular, los materiales frágiles pueden endurecerse incluyendo tensión residual de compresión, como en el caso del vidrio templado y el hormigón pretensado . El mecanismo predominante de falla en materiales frágiles es la fractura frágil , que comienza con la formación inicial de grietas. Cuando se aplica una tensión de tracción externa al material, las puntas de las grietas concentran la tensión , aumentando las tensiones de tracción locales experimentadas en las puntas de las grietas en mayor medida que la tensión promedio sobre el material a granel. Esto hace que la grieta inicial se agrande rápidamente (se propague) a medida que el material circundante se ve abrumado por la concentración de tensiones, lo que lleva a la fractura.
Un material que tiene tensión residual de compresión ayuda a prevenir la fractura frágil porque la grieta inicial se forma bajo tensión de compresión (tracción negativa). Para causar una fractura frágil por la propagación de la grieta inicial, la tensión de tracción externa debe superar la tensión residual de compresión antes de que las puntas de la grieta experimenten suficiente tensión de tracción para propagarse.
La fabricación de algunas espadas utiliza un gradiente en la formación de martensita para producir bordes particularmente duros (en particular, la katana ). La diferencia en la tensión residual entre el filo más duro y el dorso más suave de la espada le da a estas espadas su curva característica [ cita requerida ] .
En el vidrio templado, se inducen tensiones de compresión en la superficie del vidrio, equilibradas por tensiones de tracción en el cuerpo del vidrio. Debido a la tensión de compresión residual en la superficie, el vidrio templado es más resistente a las grietas, pero se rompe en pequeños fragmentos cuando se rompe la superficie exterior. Una demostración del efecto la muestra Prince Rupert's Drop , una novedad de la ciencia de los materiales en la que un glóbulo de vidrio fundido se enfría en agua: debido a que la superficie exterior se enfría y solidifica primero, cuando el volumen se enfría y solidifica, "quiere" tomar hasta un volumen menor que el que la "piel" exterior ya ha definido; esto pone gran parte del volumen en tensión, tirando de la "piel" hacia adentro y comprimiéndola. Como resultado, el glóbulo sólido es extremadamente resistente y puede ser golpeado con un martillo, pero si se rompe su larga cola, el equilibrio de fuerzas se altera, provocando que toda la pieza se rompa violentamente.
En ciertos tipos de cañones de armas fabricados con dos tubos unidos, el tubo interior se comprime mientras el tubo exterior se estira, evitando que se abran grietas en el estriado cuando se dispara el arma.
Los métodos comunes para inducir tensión residual de compresión son el granallado para superficies y el tratamiento de impacto de alta frecuencia para puntas de soldadura. La profundidad de la tensión residual de compresión varía según el método. Ambos métodos pueden aumentar significativamente la vida útil de las construcciones.
Existen algunas técnicas que se utilizan para crear una tensión residual uniforme en una viga. Por ejemplo, la curvatura de cuatro puntos permite insertar tensiones residuales aplicando una carga sobre una viga mediante dos cilindros. [2] [3]
Existen muchas técnicas utilizadas para medir las tensiones residuales, que se clasifican ampliamente en técnicas destructivas, semidestructivas y no destructivas. La selección de la técnica depende de la información requerida y de la naturaleza de la muestra de medición. Los factores incluyen la profundidad/penetración de la medición (superficie o espesor), la escala de longitud a medir ( macroscópica , mesoscópica o microscópica ), la resolución de la información requerida y también la geometría de la composición y la ubicación de la muestra. Además, algunas de las técnicas deben realizarse en laboratorios especializados, lo que significa que no es posible realizar mediciones "in situ" para todas las técnicas.
Las técnicas destructivas dan como resultado cambios estructurales grandes e irreparables en la muestra, lo que significa que la muestra no puede volver a ponerse en servicio o se debe utilizar una maqueta o repuesto. Estas técnicas funcionan utilizando un principio de "liberación de tensión"; cortar la muestra de medición para relajar las tensiones residuales y luego medir la forma deformada. Como estas deformaciones suelen ser elásticas, existe una relación lineal explotable entre la magnitud de la deformación y la magnitud de la tensión residual liberada. [4] Las técnicas destructivas incluyen:
Al igual que las técnicas destructivas, éstas también funcionan según el principio de "liberación de tensión". Sin embargo, eliminan sólo una pequeña cantidad de material, dejando intacta la integridad general de la estructura. Éstas incluyen:
Las técnicas no destructivas miden los efectos de las relaciones entre las tensiones residuales y su acción sobre las propiedades cristalográficas del material medido. Algunos de estos funcionan midiendo la difracción de la radiación electromagnética de alta frecuencia a través del espaciado de la red atómica (que se ha deformado debido a la tensión) en relación con una muestra libre de tensión. Las técnicas ultrasónicas y magnéticas aprovechan las propiedades acústicas y ferromagnéticas de los materiales para realizar mediciones relativas de tensiones residuales. Las técnicas no destructivas incluyen:
Cuando hay tensión residual no deseada procedente de operaciones anteriores de trabajo de metales, la cantidad de tensión residual se puede reducir utilizando varios métodos. Estos métodos pueden clasificarse en métodos térmicos y mecánicos (o no térmicos). [12] Todos los métodos implican procesar la pieza a aliviar en su conjunto.
El método térmico implica cambiar la temperatura de toda la pieza de manera uniforme, ya sea mediante calentamiento o enfriamiento. Cuando las piezas se calientan para aliviar la tensión, el proceso también puede conocerse como horneado para aliviar la tensión. [13] El enfriamiento de piezas para aliviar el estrés se conoce como alivio del estrés criogénico y es relativamente poco común. [ cita necesaria ]
La mayoría de los metales, cuando se calientan, experimentan una reducción en su límite elástico . Si el límite elástico del material se reduce lo suficiente mediante el calentamiento, las ubicaciones dentro del material que experimentaron tensiones residuales mayores que el límite elástico (en el estado calentado) cederían o se deformarían. Esto deja al material con tensiones residuales que son como máximo tan altas como el límite elástico del material en su estado calentado.
El horneado para aliviar tensiones no debe confundirse con el recocido o revenido , que son tratamientos térmicos para aumentar la ductilidad de un metal. Aunque esos procesos también implican calentar el material a altas temperaturas y reducir las tensiones residuales, también implican un cambio en las propiedades metalúrgicas, que puede ser no deseado.
Para ciertos materiales, como el acero de baja aleación, se debe tener cuidado durante el horneado con alivio de tensión para no exceder la temperatura a la que el material alcanza la máxima dureza (consulte Templado en aceros aleados ).
El alivio del estrés criogénico implica colocar el material (generalmente acero) en un ambiente criogénico como nitrógeno líquido. En este proceso, el material al que se le va a aliviar la tensión se enfriará a una temperatura criogénica durante un período prolongado y luego se devolverá lentamente a temperatura ambiente.
Los métodos mecánicos para aliviar las tensiones de tracción superficiales indeseables y reemplazarlas con tensiones residuales de compresión beneficiosas incluyen el granallado y el granallado con láser. Cada uno trabaja la superficie del material con un medio: el granallado suele utilizar un material de metal o vidrio; El granallado por láser utiliza rayos de luz de alta intensidad para inducir una onda de choque que se propaga profundamente en el material.
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