El método de perforación de agujeros es un método para medir tensiones residuales, [1] [2] en un material. La tensión residual ocurre en un material en ausencia de cargas externas. La tensión residual interactúa con la carga aplicada sobre el material para afectar la resistencia general, la fatiga y el rendimiento contra la corrosión del material. Las tensiones residuales se miden mediante experimentos. El método de perforación de agujeros es uno de los métodos más utilizados para medir la tensión residual. [3]
El método de perforación de agujeros puede medir tensiones residuales macroscópicas cerca de la superficie del material. El principio se basa en perforar un pequeño agujero en el material. Cuando se elimina el material que contiene tensión residual, el material restante alcanza un nuevo estado de equilibrio. El nuevo estado de equilibrio tiene deformaciones asociadas alrededor del pozo perforado. Las deformaciones están relacionadas con la tensión residual en el volumen de material que se eliminó mediante la perforación. Las deformaciones alrededor del agujero se miden durante el experimento utilizando galgas extensométricas o métodos ópticos. La tensión residual original en el material se calcula a partir de las deformaciones medidas. El método de perforación es popular por su simplicidad y es adecuado para una amplia gama de aplicaciones y materiales.
Las ventajas clave del método de perforación incluyen una preparación rápida, versatilidad de la técnica para diferentes materiales y confiabilidad. Por el contrario, el método de perforación del pozo está limitado en profundidad de análisis y geometría de la muestra, y es al menos semidestructivo.
La idea de medir la tensión residual perforando un agujero y registrando el cambio en el diámetro del agujero fue propuesta por primera vez por Mathar en 1934. En 1966, Rendler y Vignis introdujeron un procedimiento sistemático y repetible de perforación de agujeros para medir la tensión residual. En el período siguiente, el método se desarrolló aún más en términos de técnicas de perforación, medición de las deformaciones aliviadas y la propia evaluación de las tensiones residuales. Un hito muy importante es el uso del método de elementos finitos para calcular los coeficientes de calibración y evaluar las tensiones residuales de las deformaciones aliviadas medidas (Schajer, 1981). Esto permitió especialmente la evaluación de tensiones residuales que no son constantes a lo largo de la profundidad. También trajo nuevas posibilidades de uso del método, por ejemplo, para materiales no homogéneos, recubrimientos, etc. El procedimiento de medición y evaluación está estandarizado por la norma ASTM E837 [4] de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales, que también contribuyó a la popularidad del método. el método. La perforación de agujeros es actualmente uno de los métodos más extendidos para medir la tensión residual. Para la evaluación se utilizan métodos computacionales modernos. El método se está desarrollando especialmente en términos de técnicas de perforación y posibilidades de medir las deformaciones. Algunos laboratorios, como la empresa MELIAD, ofrecen servicios de medición de tensiones residuales y venta de equipos de medición según ASTM E837. Hoy en día este método está integrado en varias grandes empresas de los sectores energético y aeronáutico.
El método de perforación para medir las tensiones residuales se basa en perforar un pequeño agujero en la superficie del material. Esto alivia las tensiones residuales y las deformaciones asociadas alrededor del agujero. Las deformaciones aliviadas se miden en al menos tres direcciones independientes alrededor del agujero. A continuación se evalúa la tensión residual original en el material basándose en las deformaciones medidas y utilizando los llamados coeficientes de calibración. El agujero se realiza mediante una fresa cilíndrica o mediante técnicas alternativas. Las deformaciones se miden con mayor frecuencia utilizando galgas extensométricas (rosetas de galgas extensométricas).
Se puede medir la tensión biaxial en el plano de la superficie. Debido al pequeño daño material, este método se denomina a menudo semidestructivo. El método es relativamente sencillo, rápido y el dispositivo de medición suele ser portátil. Las desventajas incluyen el carácter destructivo de la técnica, la resolución limitada y una menor precisión de la evaluación en el caso de tensiones no uniformes o propiedades del material no homogéneas.
Los llamados coeficientes de calibración juegan un papel importante en la evaluación de la tensión residual. Se utilizan para convertir las deformaciones aliviadas en la tensión residual original en el material. Los coeficientes se pueden derivar teóricamente para un orificio pasante y una tensión homogénea. Entonces dependen únicamente de las propiedades del material, del radio del agujero y de la distancia al agujero. Sin embargo, en la gran mayoría de las aplicaciones prácticas no se cumplen las condiciones previas para utilizar los coeficientes derivados teóricamente, por ejemplo, no se incluye la deformación integral sobre el área del tensómetro, el agujero es ciego en lugar de pasante, etc. Por lo tanto, los coeficientes que tienen en cuenta Se utilizan los aspectos prácticos de la medición. En su mayoría se determinan mediante un cálculo numérico utilizando el método de los elementos finitos. Expresan la relación entre las deformaciones aliviadas y las tensiones residuales, teniendo en cuenta el tamaño del agujero, la profundidad del agujero, la forma de la roseta tensométrica, el material y otros parámetros.
La evaluación de las tensiones residuales depende del método utilizado para calcularlas a partir de las deformaciones aliviadas medidas. Todos los métodos de evaluación se basan en los principios básicos. Se diferencian en las condiciones previas de uso, los requisitos de precisión de los coeficientes de calibración o la posibilidad de tener en cuenta influencias adicionales. En general, el agujero se realiza en pasos sucesivos y las deformaciones aliviadas se miden después de cada paso.
Se han desarrollado varios métodos para la evaluación de tensiones residuales de las deformaciones aliviadas. El método fundamental es el método de tensión uniforme equivalente . Los coeficientes para un diámetro de orificio particular, tipo de roseta y profundidad del orificio están publicados en la norma ASTM E837. [4] El método es adecuado para una tensión constante o poco cambiante a lo largo de la profundidad. Puede utilizarse como guía para tensiones no constantes; sin embargo, el método puede dar resultados muy distorsionados.
El método más general es el método integral . Calcula la influencia de la tensión aliviada en la profundidad dada que, sin embargo, cambia con la profundidad total del agujero. Los coeficientes de calibración se expresan como matrices. La evaluación conduce a un sistema de ecuaciones cuya solución es un vector de tensiones residuales en profundidades particulares. Se requiere una simulación numérica para obtener los coeficientes de calibración. El método integral y sus coeficientes están definidos en la norma ASTM E837. [4]
Hay otros métodos de evaluación que exigen menos a los coeficientes de calibración y al proceso de evaluación en sí. Estos incluyen el método de tensión promedio y el método de deformación incremental . Ambos métodos se basan en el supuesto de que el cambio en la deformación es causado únicamente por la tensión aliviada en el incremento perforado. Son adecuados sólo si hay pequeños cambios en los perfiles de tensión. Ambos métodos dan resultados numéricamente correctos para tensiones uniformes.
El método de series de potencias y el método spline son otras modificaciones del método integral. Ambos tienen en cuenta tanto la distancia del efecto de la tensión desde la superficie como la profundidad total del agujero. A diferencia del método integral, los valores de tensión resultantes se aproximan mediante un polinomio o un spline. El método de series de potencias es muy estable pero no puede capturar valores de tensión que cambian rápidamente. El método spline es más estable y menos susceptible a errores que el método integral. Puede capturar los valores de tensión reales mejor que el método de series de potencias. La principal desventaja son los complicados cálculos matemáticos necesarios para resolver un sistema de ecuaciones no lineales.
El método de perforación encuentra su aplicación en muchas áreas industriales relacionadas con la producción y el procesamiento de materiales. Las tecnologías más importantes incluyen el tratamiento térmico, el acabado superficial mecánico y térmico, el mecanizado, la soldadura, el recubrimiento o la fabricación de composites. A pesar de su relativa universalidad, el método requiere que se cumplan estas condiciones previas fundamentales: la posibilidad de perforar el material, la posibilidad de aplicar rosetas tensométricas (u otros medios para medir las deformaciones) y el conocimiento de las propiedades del material. Condiciones adicionales pueden afectar la precisión y repetibilidad de la medición. Estos incluyen especialmente el tamaño y la forma de la muestra, la distancia del área medida desde los bordes, la homogeneidad del material, la presencia de gradientes de tensión residual, etc. La perforación de agujeros se puede realizar en el laboratorio o como medición de campo, lo que la hace ideal. para medir tensiones reales en componentes grandes que no se pueden mover.