Estrés residual

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.

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 ]} .

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.

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.

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]}

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.

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:

• Método de contorno ^[5] : mide la tensión residual en una sección plana 2D a través de una muestra, en una dirección uniaxial normal a una superficie cortada a través de la muestra con electroerosión por hilo.
• Corte longitudinal (cumplimiento de grietas) ^[6] : mide la tensión residual a través del espesor de una muestra, en una dirección normal a una "ranura" cortada.
• Eliminación de bloques/división/capas ^[7]
• El aburrimiento de Sachs ^[8]

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:

• Perforación de agujeros profundos ^[9] : mide las tensiones residuales a través del espesor de un componente relajando las tensiones en un "núcleo" que rodea un agujero perforado de diámetro pequeño.
• Perforación de orificios centrales ^[10] : mide las tensiones residuales cercanas a la superficie mediante la liberación de la deformación correspondiente a un orificio pequeño y poco profundo perforado con una roseta de galgas extensométricas . La perforación de orificios centrales es adecuada para una profundidad de hasta 4 mm. Alternativamente, se puede utilizar la perforación de orificios ciegos para piezas delgadas. La perforación de orificios centrales también se puede realizar en el campo para realizar pruebas in situ.
• Núcleo anular ^[11] : similar a la perforación de orificio central, pero con mayor penetración y con el corte realizándose alrededor de la roseta del extensómetro en lugar de a través de su centro.

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:

• Electromagnético, también conocido como eStress : se puede utilizar con una amplia gama de dimensiones y materiales de muestra, con una precisión similar a la de la difracción de neutrones. Hay sistemas portátiles disponibles, como el sistema eStress, que se puede utilizar para mediciones in situ o instalar de forma permanente para un control continuo. La velocidad de medición es de 1 a 10 segundos por ubicación.
• Difracción de neutrones : una técnica probada que puede medir el espesor pero que requiere una fuente de neutrones (como un reactor nuclear).
• Difracción de sincrotrón : requiere un sincrotrón pero proporciona datos igualmente útiles que los métodos de difracción de neutrones y eStress.
• Difracción de rayos X : una técnica de superficie limitada con una penetración de solo unos cientos de micrones.
• Ultrasonido : proceso experimental relativamente nuevo y prometedor conocido desde los años 70 y 80 del siglo pasado [14] ^{[ cita requerida ]}
• Magnético : se puede utilizar con dimensiones de muestra muy limitadas.

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.

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 ]}

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 ).

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.

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.

• Fretaje automático
• Granallado
• Granallado por láser
• Bruñido de baja plasticidad
• Tratamiento de impacto de alta frecuencia
• Técnica de medición de perforación de pozos profundos (DHD)
• Método de perforación de agujeros

• Hosford, William F. 2005. "Tensiones residuales". En Comportamiento mecánico de materiales, 308-321. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84670-7 
• Cary, Howard B. y Scott C. Helzer (2005). Tecnología de soldadura moderna. Upper Saddle River, Nueva Jersey : Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3 
• Schajer, Gary S. 2013. Métodos prácticos de medición de tensiones residuales. Wiley. ISBN 978-1-118-34237-4 
• Kehl, J.-H., Drafz, R., Pape, F. y Poll, G. 2016. Investigaciones simuladas de la influencia de las indentaciones superficiales en las tensiones residuales de las pistas internas de los rodamientos de elementos de rodillos, Conferencia internacional sobre tensiones residuales 2016 (Sídney), DOI: 10.21741/9781945291173-69

• La tecnología de ahorro energético y los equipos informáticos para la estabilización de vibraciones de tensiones residuales (la única Escuela Científica del CIS con 35 años de antigüedad, que presentó en 1988 la primera instalación de diagnóstico por ordenador del mundo) están destinados a estabilizar las tensiones residuales en las soldaduras, piezas fundidas y otros metales dinámicos no rígidos.
• Recursos completos sobre tensiones residuales en la Universidad de Cambridge