La técnica de medición de perforación de agujeros profundos (DHD) es una técnica de medición de tensión residual que se utiliza para medir las tensiones aplicadas y bloqueadas en materiales y componentes de ingeniería. [1] La DHD es una técnica de relajación mecánica de la deformación (MSR) semidestructiva , que busca medir la distribución de tensiones a lo largo del eje de un agujero de referencia perforado. El proceso es único en su capacidad de medir tensiones residuales a nivel microscópico con una penetración de más de 750 milímetros (30 pulgadas), sin destrucción total del componente original. La perforación de agujeros profundos se considera profunda en comparación con otras técnicas de perforación de agujeros, como la perforación de agujeros centrales. [2]
La técnica DHD implica perforar un orificio a través del espesor del componente, medir el diámetro del orificio, trepanar (cortar una ranura circular alrededor del orificio) un núcleo de material de alrededor del orificio y, finalmente, volver a medir el diámetro del orificio. [3] En el caso de los metales de ingeniería, el proceso de trepanación se realiza normalmente mediante mecanizado por descarga eléctrica (EDM) para minimizar la introducción de tensiones adicionales durante el corte. Las diferencias entre los diámetros medidos antes y después de la liberación de la tensión permiten calcular las tensiones residuales originales utilizando la teoría de la elasticidad . Se puede ver un video animado de YouTube que explica la técnica DHD aquí: YouTube: Técnica de perforación de orificios profundos.
En primer lugar, se fijan casquillos de referencia a las superficies delantera y trasera del componente en la ubicación de la medición, para minimizar la "boca acampanada" y ayudar a alinear los conjuntos de datos durante el análisis. A continuación, se perfora un orificio de referencia a través de un componente; en los metales de ingeniería, se utiliza normalmente un taladro de cañón debido al perfil de orificio liso y recto que produce. Después de la perforación, se mide el diámetro del orificio de referencia a intervalos frecuentes a lo largo de toda la longitud y la circunferencia de los casquillos de medición y referencia con una sonda de aire. Se trata de una varilla fina con aire presurizado forzado desde el extremo a través de dos pequeños orificios en una normal al eje del orificio de referencia. A medida que la sonda de aire se mueve a través del orificio, los cambios en el diámetro del orificio darán lugar a cambios en la presión, que se detectan con un transductor calibrado para convertir el cambio de presión en un voltaje. [4] A continuación, se corta (trepana) un cilindro (es decir, un núcleo) de material que contiene el orificio de referencia a lo largo de su eje del componente mediante mecanizado por electroerosión (EDM), para relajar las tensiones que actúan sobre el orificio de referencia. Finalmente, se vuelve a medir el diámetro del orificio de referencia a lo largo de todo el espesor del cilindro y de los casquillos de referencia, tomándose las medidas de diámetro en los mismos lugares que las medidas antes de la trepanación.
Si hay tensiones residuales de gran magnitud (>60 % de límite elástico ) en el componente, la técnica DHD se puede modificar para tener en cuenta el comportamiento plástico durante el proceso de alivio de tensiones. El riesgo de deformación plástica durante la relajación de tensiones es un problema en las técnicas de perforación de orificios debido al factor de concentración de tensiones de aproximadamente x3 de los orificios, que "amplifica" efectivamente la relajación de tensiones y aumenta la posibilidad de fluencia. [5] Por lo tanto, para iDHD, el procedimiento se cambia para que se realice de forma incremental , cortando el núcleo (trepanándolo) en varios pasos de profundidad creciente y realizando las mediciones del diámetro entre cada paso. Luego, el análisis incorpora esta secuencia de distorsiones incrementales para calcular las tensiones residuales de gran magnitud.
El método DHD busca medir la distribución de tensiones a lo largo del eje del orificio de referencia. [6] La relación entre las tensiones residuales originales que actúan sobre el orificio de referencia y los cambios medidos en el diámetro del orificio crea la base del análisis. La técnica DHD utiliza un análisis elástico para convertir las distorsiones medidas del orificio de referencia en un perfil de tensión residual. [7] La precisión de los resultados depende de las fuentes de error en la medición, pero también depende del módulo elástico del material. [6] Un módulo elástico menor dará como resultado distorsiones mayores para una liberación de tensión dada, lo que significa una resolución de medición más alta y, por lo tanto, una mayor precisión alcanzable. La técnica DHD tiene una precisión nominal de ±10 MPa para aluminio, ±30 MPa para acero y ±15 MPa para titanio. [8]
A continuación se enumeran las ventajas y desventajas del DHD en relación con otras técnicas de medición del estrés residual.
Se han realizado varios estudios [9] [10] [11] para validar la técnica DHD utilizando muestras con estados de tensión "conocidos", aplicando una carga definida en el rango plástico para crear un estado de tensión interna en un componente, o cargando el componente en el rango elástico durante toda la duración de las mediciones.
Por ejemplo, un componente de viga se dobló plásticamente para introducir un perfil de tensión residual conocido. [12] Estas tensiones residuales se midieron luego utilizando múltiples técnicas de medición de tensión residual, incluyendo difracción de neutrones, [13] corte longitudinal, [14] núcleo de anillo, [15] perforación incremental de orificios centrales, [2] perforación de orificios profundos y perforación incremental de orificios profundos, así como modeladas con software de elementos finitos para proporcionar una validación numérica adicional. La correlación entre los resultados de las técnicas es fuerte, y DHD e iDHD muestran la misma tendencia y magnitudes que la simulación numérica y las otras técnicas experimentales. Los resultados de esta comparación se muestran en la Figura.