El método de perforación de agujeros es un método para medir las tensiones residuales, [1] [2] en un material. La tensión residual se produce 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 de corrosión del material. Las tensiones residuales se miden a través de experimentos. El método de perforación de agujeros es uno de los métodos más utilizados para la medición de 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 la perforación de un pequeño agujero en el material. Cuando se elimina el material que contiene la tensión residual, el material restante alcanza un nuevo estado de equilibrio. El nuevo estado de equilibrio tiene deformaciones asociadas alrededor del agujero 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 de agujeros es popular por su simplicidad y es adecuado para una amplia gama de aplicaciones y materiales.
Las principales ventajas del método de perforación de orificios incluyen una preparación rápida, versatilidad de la técnica para diferentes materiales y confiabilidad. Por el contrario, el método de perforación de orificios está limitado en la profundidad del análisis y la geometría de la muestra, y es al menos semidestructivo.
La idea de medir la tensión residual perforando un agujero y registrando el cambio del 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 evaluación de la tensión residual en sí. Un hito muy importante es el uso del método de elementos finitos para calcular los coeficientes de calibración y evaluar las tensiones residuales a partir 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 más posibilidades de uso del método, por ejemplo, para materiales no homogéneos, revestimientos, etc. El procedimiento de medición y evaluación está estandarizado por la norma ASTM E837 [4] de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales, que también contribuyó a la popularidad del 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 lo que respecta a las técnicas de perforación y las posibilidades de medición de las deformaciones. Algunos laboratorios, como la empresa MELIAD, ofrecen servicios de medición de tensiones residuales y la venta de equipos de medición según la norma ASTM E837. Hoy en día, este método está integrado en varias grandes empresas de los sectores de la energía y la aeronáutica.
El método de perforación de agujeros para medir las tensiones residuales se basa en la perforación de un pequeño agujero en la superficie del material. De este modo, se alivian 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 denominados 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).
La tensión biaxial en el plano de la superficie se puede medir. El método se suele denominar semidestructivo debido a que causa pocos daños en el material. 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 no homogéneas del material.
Los denominados coeficientes de calibración desempeñan 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. En ese caso, dependen únicamente de las propiedades del material, el radio del orificio y la distancia al orificio. 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 orificio es ciego en lugar de pasante, etc. Por lo tanto, se utilizan coeficientes que tienen en cuenta los aspectos prácticos de la medición. En su mayoría, se determinan mediante un cálculo numérico utilizando el método de elementos finitos. Expresan la relación entre las deformaciones aliviadas y las tensiones residuales, teniendo en cuenta el tamaño del orificio, la profundidad del orificio, 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 orificio 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 agujero particular, tipo de roseta y profundidad de agujero 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 pozo. 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]
Existen otros métodos de evaluación que exigen menos coeficientes de calibración y el proceso de evaluación en sí. Entre ellos se encuentran el método de tensión media y el método de deformación incremental . Ambos métodos se basan en el supuesto de que el cambio en la deformación se debe únicamente a la tensión aliviada en el incremento perforado. Son adecuados únicamente 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 cálculos matemáticos complicados necesarios para resolver un sistema de ecuaciones no lineales.
El método de perforación de agujeros se utiliza en muchas áreas industriales relacionadas con la producción y el procesamiento de materiales. Las tecnologías más importantes incluyen el tratamiento térmico, el acabado mecánico y térmico de superficies, el mecanizado, la soldadura, el recubrimiento o la fabricación de materiales compuestos. 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. Otras condiciones adicionales pueden afectar la precisión y repetibilidad de la medición. Estas 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 lo hace ideal para medir tensiones reales en componentes grandes que no se pueden mover.