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Estrés residual

La tensión residual en una sección estructural hueca formada en rollo hace que se abra al cortarla con una sierra de cinta.

En la ciencia de los materiales y la mecánica de sólidos , las tensiones residuales son tensiones que permanecen en un material sólido después de que se haya eliminado la causa original de las tensiones. La tensión residual puede ser deseable o indeseable. Por ejemplo, el granallado láser imparte tensiones residuales compresivas 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 las grietas y los arañazos en los teléfonos inteligentes . Sin embargo, la tensión residual no intencionada en una estructura diseñada puede hacer 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 expansión localizada, que es absorbida durante la soldadura por el metal fundido o la colocación de las piezas que se están soldando. Cuando la soldadura 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 la fabricación de microsistemas [1] cuando se depositan secuencialmente materiales de película delgada con diferentes propiedades térmicas y cristalinas bajo diferentes condiciones de proceso. La variación de 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 capa a capa.

Aplicaciones

Si bien las tensiones residuales no controladas son indeseables, algunos diseños dependen de ellas. En particular, los materiales frágiles se pueden endurecer mediante la inclusión de una 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 una grieta. Cuando se aplica una tensión de tracción externa al material, las puntas de la grieta concentran la tensión , lo que aumenta las tensiones de tracción locales experimentadas en las puntas de la grieta en mayor medida que la tensión promedio en 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 tensión, 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 (tensión negativa). Para provocar una fractura frágil por 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.

En la fabricación de algunas espadas se utiliza un gradiente en la formación de martensita para producir filos especialmente duros (en particular, la katana ). La diferencia de tensión residual entre el filo más duro y el dorso más blando de la espada proporciona a estas espadas su curva característica [ cita requerida ] .

Las gotas del príncipe Rupert

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 se muestra en 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" ocupar un volumen más pequeño que el que la "piel" exterior ya ha definido; esto pone gran parte del volumen en tensión, tirando de la "piel" hacia adentro, poniendo la "piel" en compresión. Como resultado, el glóbulo sólido es extremadamente resistente, capaz de ser golpeado con un martillo, pero si se rompe su larga cola, se altera el equilibrio de fuerzas, lo que hace que toda la pieza se rompa violentamente.

En ciertos tipos de cañones de armas hechos con dos tubos unidos a la fuerza, el tubo interior se comprime mientras que el exterior se estira, lo que evita que se abran grietas en el estriado cuando se dispara el arma.

Tensión residual de compresión

Los métodos habituales para inducir la tensión residual de compresión son el granallado de superficies y el tratamiento de impacto de alta frecuencia para los bordes de las soldaduras. La profundidad de la tensión residual de compresión varía según el método. Ambos métodos pueden aumentar significativamente la vida útil de las construcciones.

Ejemplo de un conjunto tratado HiFIT

Creación de tensión residual

Existen algunas técnicas que se utilizan para crear una tensión residual uniforme en una viga. Por ejemplo, la flexión en cuatro puntos permite introducir una tensión residual aplicando una carga sobre una viga utilizando dos cilindros. [2] [3]

Técnicas de medición

Un diagrama que compara las técnicas de medición de tensión residual, mostrando la escala de longitud de medición, la penetración y el nivel de destrucción del componente medido.

Descripción general

Existen muchas técnicas que se utilizan para medir las tensiones residuales, que se clasifican en general 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 (superficial o de espesor total), la escala de longitud sobre la que se medirá ( 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 instalaciones de laboratorio especializadas, lo que significa que las mediciones "in situ" no son posibles para todas las técnicas.

Técnicas destructivas

Las técnicas destructivas dan como resultado un cambio estructural grande e irreparable en la muestra, lo que significa que la muestra no puede volver a ponerse en servicio o debe utilizarse una maqueta o un repuesto. Estas técnicas funcionan utilizando un principio de "liberación de tensión"; cortando la muestra de medición para relajar las tensiones residuales y luego midiendo 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:

Técnicas semidestructivas

De manera similar a las técnicas destructivas, estas también funcionan utilizando el principio de "liberación de tensión". Sin embargo, eliminan solo una pequeña cantidad de material, dejando intacta la integridad general de la estructura. Entre ellas se incluyen:

Técnicas no destructivas

Las técnicas no destructivas miden los efectos de las relaciones entre las tensiones residuales y su acción sobre las propiedades cristalográficas del material medido. Algunas de ellas funcionan midiendo la difracción de la radiación electromagnética de alta frecuencia a través del espaciamiento 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 explotan las propiedades acústicas y ferromagnéticas de los materiales para realizar mediciones relativas de la tensión residual. Las técnicas no destructivas incluyen:

Alivio de la tensión residual

Cuando existe una tensión residual no deseada proveniente de operaciones de mecanizado anteriores, la cantidad de tensión residual se puede reducir utilizando varios métodos. Estos métodos se pueden clasificar en métodos térmicos y mecánicos (o no térmicos). [12] Todos los métodos implican procesar la pieza a aliviar en su totalidad.

Método térmico

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 se conoce como horneado para aliviar la tensión. [13] El enfriamiento de las piezas para aliviar la tensión se conoce como alivio de tensión criogénico y es relativamente poco común. [ cita requerida ]

Horneado para aliviar el estrés

La mayoría de los metales, cuando se calientan, experimentan una reducción en el límite elástico . Si el límite elástico del material se reduce lo suficiente por el calentamiento, las zonas dentro del material que experimentaron tensiones residuales mayores que el límite elástico (en el estado calentado) cederán o se deformarán. 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 el templado , que son tratamientos térmicos para aumentar la ductilidad de un metal. Aunque estos 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 indeseable.

Para ciertos materiales, como el acero de baja aleación, se debe tener cuidado durante el horneado para aliviar la tensión a fin de no exceder la temperatura a la cual el material alcanza la máxima dureza (ver Templado en aceros aleados ).

Alivio del estrés criogénico

El alivio de tensión criogénico implica colocar el material (normalmente acero) en un entorno criogénico , como nitrógeno líquido. En este proceso, el material que se va a aliviar de la tensión se enfriará a una temperatura criogénica durante un largo período y luego se llevará lentamente de nuevo a temperatura ambiente.

Métodos no térmicos

Los métodos mecánicos para aliviar las tensiones de tracción superficial no deseadas y reemplazarlas con tensiones residuales de compresión beneficiosas incluyen el granallado y el granallado por láser. Cada uno trabaja la superficie del material con un medio: el granallado generalmente utiliza 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.

Véase también

Referencias

  1. ^ Schiavone, G.; Murray, J.; Smith, S.; Desmulliez, MPY; Mount, AR; Walton, AJ (1 de enero de 2016). "Una técnica de mapeo de obleas para la tensión residual en películas micromaquinadas de superficie". Revista de micromecánica y microingeniería . 26 (9): 095013. Bibcode :2016JMiMi..26i5013S. doi : 10.1088/0960-1317/26/9/095013 . hdl : 20.500.11820/33be8ce1-205b-4483-91d5-69724556d943 . ISSN  0960-1317.
  2. ^ "Propiedades de flexión por flexión en cuatro puntos ASTM D6272". ptli.com . Archivado desde el original el 5 de enero de 2015 . Consultado el 22 de septiembre de 2014 .
  3. ^ relaxman1993 (13 de septiembre de 2014). "Tutoriel Abaqus-Contrainte résiduelle dans une poutre / Tensión residual en una viga". Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2021, a través de YouTube.{{cite web}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  4. ^ GSSchajer Métodos prácticos de medición de tensiones residuales . Wiley 2013, 7, ISBN 978-1-118-34237-4
  5. ^ Laboratorio Nacional de Los Álamos – Método de contorno. Recuperado el 19 de junio de 2014
  6. ^ Laboratorio Nacional de Los Álamos – Método de corte. Recuperado el 19 de junio de 2014
  7. ^ ASTM E1928-13 Práctica estándar para estimar la tensión circunferencial residual aproximada en tubos rectos de paredes delgadas. Recuperado el 19 de junio de 2014
  8. ^ VEQTER Ltd – Sach's Boring. Consultado el 19 de junio de 2014.
  9. ^ VEQTER Ltd – Perforación de pozos profundos. Consultado el 19 de junio de 2014.
  10. ^ G2MT Labs – Perforación de orificios centrales Archivado el 22 de febrero de 2018 en Wayback Machine . Recuperado el 22 de febrero de 2018
  11. ^ VEQTER Ltd – Ring Core. Consultado el 19 de junio de 2014.
  12. ^ "Conceptos básicos para aliviar el estrés - Septiembre de 2001". Archivado desde el original el 14 de marzo de 2014 . Consultado el 8 de junio de 2014 .
  13. ^ "Plating". plating.com . Archivado desde el original el 26 de agosto de 2016 . Consultado el 23 de julio de 2013 .

Lectura adicional

Enlaces externos