El autofrettage es un proceso de endurecimiento por trabajo en el que un recipiente a presión (de paredes gruesas) se somete a una enorme presión , lo que hace que las porciones internas de la pieza cedan plásticamente, lo que genera tensiones residuales de compresión interna una vez que se libera la presión. El objetivo del autofrettage es aumentar la capacidad de carga de presión del producto final. La inducción de tensiones de compresión residuales en los materiales también puede aumentar su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión ; es decir, agrietamiento no asistido mecánicamente que ocurre cuando un material se coloca en un ambiente corrosivo en presencia de tensión de tracción. La técnica se utiliza comúnmente en la fabricación de cilindros de bombas de alta presión, cañones de armas y buques de guerra y sistemas de inyección de combustible para motores diésel . Debido al proceso de endurecimiento por trabajo, también mejora marginalmente la vida útil del cañón. Si bien el autofrettage inducirá cierto endurecimiento por trabajo , ese no es el mecanismo principal de fortalecimiento.
El punto de partida es un único tubo de acero de diámetro interno ligeramente inferior al calibre deseado. El tubo se somete a una presión interna de magnitud suficiente para agrandar el orificio y en el proceso las capas internas del metal se estiran en tensión más allá de su límite elástico. Esto significa que las capas internas se han estirado hasta un punto en el que el acero ya no puede volver a su forma original una vez que se ha eliminado la presión interna. Aunque las capas exteriores del tubo también se estiran, el grado de presión interna aplicada durante el proceso es tal que no se estiran más allá de su límite elástico. La razón por la que esto es posible es que la distribución de tensiones a través de las paredes del tubo no es uniforme. Su valor máximo se produce en el metal adyacente a la fuente de presión, disminuyendo notablemente hacia las capas exteriores del tubo. La deformación es proporcional a la tensión aplicada dentro del límite elástico; por lo tanto, la expansión en las capas exteriores es menor que en el orificio. Debido a que las capas exteriores permanecen elásticas, intentan volver a su forma original; sin embargo, las nuevas capas internas permanentemente estiradas impiden que lo hagan por completo. El efecto es que las capas internas del metal son comprimidas por las capas externas de la misma manera que si se hubiera encogido una capa externa de metal como con un arma armada . Esto se puede entender mejor suponiendo que un tubo de paredes gruesas es un tubo multicapa. El siguiente paso es someter las capas internas deformadas por compresión a un tratamiento a baja temperatura (LTT) que da como resultado que el límite elástico se eleve al menos a la presión de autofrettage empleada en la primera etapa del proceso. Finalmente, se puede probar la elasticidad del cañón aplicando presión interna una vez más, pero esta vez se tiene cuidado de garantizar que las capas internas no se estiren más allá de su nuevo límite elástico. El resultado final es una superficie interior del cañón del arma con una tensión de compresión residual capaz de contrarrestar la tensión de tracción que se induciría cuando se descarga la pistola. Además, el material tiene una mayor resistencia a la tracción debido al endurecimiento por trabajo. [1]
Al principio de la historia de la artillería, la gente observó que después de disparar una pequeña cantidad de balas, el calibre de un arma nueva se agranda y endurece ligeramente. [2] Históricamente, el primer tipo de autofrettage avant la lettre fueron los cañones de bronce con mandril, inventados y patentados en 1869 por Samuel B. Dean de la South Boston Iron Company . [3] Pero no encontró uso en el continente americano y fue copiado [4] sin licencia [5] por Franz von Uchatius a mediados de la década de 1870. Encontró algún uso en varios países europeos que carecían de industria siderúrgica, pero fue rápidamente desplazado por el acero fundido en todas partes excepto en Austro-Hungría, que mantuvo la tecnología obsoleta hasta la Primera Guerra Mundial [6] y, por lo tanto, tuvo su artillería perjudicada. [7]
El problema de reforzar los cañones de acero utilizando el mismo principio fue abordado por el coronel de artillería colonial francés Louis Frédéric Gustave Jacob, quien sugirió en 1907 presurizarlos hidráulicamente y acuñó el término "autofrettage". En 1913, Schneider-Creusot fabricó un cañón naval de 14 cm L/50 con este método [8] y solicitó una patente. [9] Sin embargo, la implementación de una técnica de este tipo a escala industrial requirió métodos numéricos para aproximar las soluciones de ecuaciones trascendentales de deformación plástica, que fueron desarrolladas en Francia durante la Primera Guerra Mundial por el profesor de matemáticas Maurice d'Ocagne y el ingeniero de Schneider Louis Potin. [10]
En la práctica moderna, un ariete accionado hidráulicamente empuja lentamente una matriz ligeramente sobredimensionada a través del cañón. La cantidad de orificio inferior inicial y sobredimensionamiento de la matriz se calculan para deformar el material alrededor del orificio más allá de su límite elástico y provocar deformación plástica. Una tensión de compresión residual permanece en la superficie interna del cañón, incluso después del pulido y estriado final.
La técnica se ha aplicado a la expansión de componentes tubulares en el fondo de pozos de petróleo y gas. El método ha sido patentado por la empresa noruega de servicios petroleros Meta, que lo utiliza para conectar componentes tubulares concéntricos con propiedades de sellado y resistencia descritas anteriormente.
El término autofrettage también se utiliza para describir un paso en la fabricación de un recipiente a presión con envoltura compuesta (COPV) donde el revestimiento se expande (mediante deformación plástica), dentro de la envoltura compuesta. [11]