El autofrettage es un proceso de endurecimiento por deformación en el que un recipiente a presión (de paredes gruesas) se somete a una enorme presión , lo que hace que las partes internas de la pieza cedan plásticamente, lo que da como resultado tensiones residuales de compresión internas una vez que se libera la presión. El objetivo del autofrettage es aumentar la capacidad de soportar presión del producto final. Inducir tensiones de compresión residuales en los materiales también puede aumentar su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión ; es decir, el agrietamiento no asistido mecánicamente que ocurre cuando un material se coloca en un entorno corrosivo en presencia de tensión de tracción. La técnica se utiliza comúnmente en la fabricación de cilindros de bombas de alta presión, cañones de buques de guerra y de armas, y sistemas de inyección de combustible para motores diésel . Debido al proceso de endurecimiento por deformación, también mejora marginalmente la vida útil del cañón. Si bien el autofrettage inducirá cierto endurecimiento por deformación , ese no es el mecanismo principal de fortalecimiento.
El punto de partida es un único tubo de acero de diámetro interior 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 externas 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 la tensión 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 externas del tubo. La deformación es proporcional a la tensión aplicada dentro del límite elástico; por lo tanto, la expansión en las capas externas es menor que en el orificio. Debido a que las capas externas permanecen elásticas, intentan volver a su forma original; sin embargo, las nuevas capas internas estiradas permanentemente les impiden hacerlo por completo. El efecto es que las capas internas del metal se someten a compresión por las capas externas de la misma manera que si se hubiera encogido una capa externa de metal como en el caso de un arma de fuego . 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 de baja temperatura (LTT) que da como resultado que el límite elástico se eleve al menos hasta la presión de autofrettage empleada en la primera etapa del proceso. Finalmente, la elasticidad del cañón se puede probar aplicando presión interna una vez más, pero esta vez se tiene cuidado de asegurar que las capas internas no se estiren más allá de su nuevo límite elástico. El resultado final es una superficie interna del cañón del arma con una tensión de compresión residual capaz de contrarrestar la tensión de tracción que se induciría cuando se dispara el arma. Además, el material tiene una mayor resistencia a la tracción debido al endurecimiento por deformación. [1]
En los inicios de la historia de la artillería , se observó que, tras disparar una pequeña cantidad de proyectiles, el calibre de un arma nueva se agrandaba y endurecía ligeramente. [2] Históricamente, el primer tipo de autofrettage avant la lettre fueron los cañones de bronce mandrilados, 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 reemplazado por el acero fundido en todas partes, excepto en Austria-Hungría, que se apegó a la tecnología obsoleta hasta la Primera Guerra Mundial [6] y, por lo tanto, tuvo su artillería en desventaja. [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 L/50 de 14 cm mediante dicho método [8] y solicitó una patente. [9] Sin embargo, la implementación de dicha técnica a escala industrial requería métodos numéricos para aproximar las soluciones de las 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 troquel ligeramente sobredimensionado se empuja lentamente a través del cañón mediante un ariete accionado hidráulicamente. La cantidad inicial de sobredimensionamiento y de profundidad del troquel se calcula para tensar el material alrededor del ánima más allá de su límite elástico hasta la deformación plástica. Una tensión de compresión residual permanece en la superficie interna del cañón, incluso después del pulido y estriado finales.
La técnica se ha aplicado a la expansión de componentes tubulares en 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 las 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 (por deformación plástica), dentro de la envoltura compuesta. [11]