Comprender los diversos tipos de tensión residual

En los materiales sólidos, la tensión residual son las tensiones que permanecen en ellos después de que se elimina la causa original de la tensión. La tensión residual puede ser inútil y útil en un material. es decir, puede ser deseable o indeseable. La tensión residual no deseada en un material puede hacer que falle prematuramente, mientras que se puede usar en vidrio templado para permitir que los lentes de los teléfonos inteligentes sean grandes, delgados, resistentes a las grietas y rayones.

Hoy veremos la definición, las aplicaciones, los tipos, las causas, los efectos, el diagrama, el control y cómo medir las tensiones residuales.

¿Qué es el estrés residual?

La tensión residual es la tensión que permanece en un material (común en un componente soldado) incluso en ausencia de carga externa o gradiente de calor. Las tensiones residuales pueden dar como resultado una deformación plástica significativa, lo que puede conducir a la distorsión o deformación de los materiales. Pueden afectar la susceptibilidad a fracturas y fatiga en algunos casos.

También se dice que las tensiones residuales son tensiones bloqueadas dentro de un objeto metálico, incluso cuando el objeto está libre de fuerzas externas. Las tensiones pueden dar como resultado que una región del metal sea restringida por regiones adyacentes para que no se contraiga, expanda o libere deformaciones elásticas. Dado que las tensiones residuales pueden ser de tracción o compresión, pueden coexistir dentro de un componente.

¿Cuáles son las causas del estrés residual?

Las tensiones residuales ocurren cuando los objetos o componentes se estresan más allá de su límite elástico, lo que resulta en una deformación plástica. La deformación plástica puede deberse a lo siguiente:

• Transformaciones de fase durante el enfriamiento desde temperaturas elevadas.
• Tratamientos de superficies como esmaltado, galvanoplastia PVD y recubrimiento CVD.
• Deformación plástica no uniforme durante el calentamiento y enfriamiento.
• Heterogeneidad de orden químico o cristalográfico (nitruración o cementación)
• Deformación no plástica durante el procesamiento mecánico, como durante la laminación, operaciones de formación (doblado o trefilado), mecanizado y tratamientos superficiales mecánicos (granallado y pulido con rodillo).

Las siguientes son las tres causas del estrés residual:

Variaciones térmicas:

La variación térmica es cuando un objeto se enfría de una temperatura, esto a menudo ocurre en una unión soldada debido al intenso uso de calor para la unión. Debido a esto, existe una gran diferencia en la velocidad de enfriamiento en todo el cuerpo, lo que da como resultado variaciones localizadas en la superficie y el interior del material. Este nivel diferente de contracciones térmicas crea tensiones no uniformes dentro de un objeto.

Durante el enfriamiento, la superficie se enfría a un ritmo más rápido y el material calentado se comprime en el centro. Si bien la parte central del material tarda en enfriarse, está limitada por el material exterior más frío. Esto hace que la parte interior tenga una tensión de tracción residual y la parte exterior del material tenga una tensión de compresión residual.

Procesamiento mecánico:

Las tensiones residuales que se producen debido a la deformación plástica son causadas por el procesamiento mecánico. Ocurre cuando la deformación plástica no es uniforme a lo largo de la sección transversal del material que se somete a un proceso de fabricación, como plegado, estirado, extrusión, laminado, etc.

Durante el proceso de deformación, una parte del material es elástica y la otra plástica. Así, cuando se retira la carga, el material trata de recuperar la parte elástica de la deformación. Sin embargo, se inhibe para recuperarse por completo debido al material adyacente deformado plásticamente.

Transformación de fase:

La transformación de fase es otra forma en que se puede causar estrés residual. Ocurre cuando un material sufre una transformación de fase, es decir, una diferencia de volumen entre la fase recién formada y el material circundante que aún no ha sufrido la transformación de fase. Esta diferencia de volumen causa expansión o contracción en el material, lo que resulta en una tensión residual

¿Cuáles son los efectos del estrés residual?

Las tensiones residuales son beneficiosas en algunas situaciones, dependiendo de si la tensión es de tracción o de compresión. Las tensiones residuales de tracción pueden ser lo suficientemente grandes como para provocar la distorsión o el agrietamiento de los materiales. Además, se requieren esfuerzos de tracción en el agrietamiento por fatiga y corrosión bajo tensión. Esto se debe a que las tensiones residuales se suman algebraicamente con las tensiones aplicadas. Las tensiones de tracción residuales superficiales combinadas con la tensión de tracción aplicada pueden reducir la fiabilidad del material. Además, las tensiones de tracción residuales a veces son suficientes para provocar el agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Generalmente, las tensiones superficiales residuales de compresión reducen los efectos de las tensiones de tracción aplicadas. De hecho, las tensiones de compresión de la superficie contribuyen a mejorar la resistencia a la fatiga y la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Tal como se indicó anteriormente, las tensiones residuales son positivas o negativas, según la aplicación. Se obtienen efectos positivos cuando se implementan tensiones residuales en los diseños de algunas aplicaciones, lo que se puede lograr mediante granallado con láser. Un granallado con láser imparte tensión residual de compresión a la superficie de un material. Esto endurece las superficies quebradizas o fortalece una sección delgada.

En general, las tensiones residuales también pueden tener efectos negativos. Aunque las tensiones a menudo son invisibles para los fabricantes, solo si dan como resultado una distorsión significativa. La integridad estructural puede verse afectada negativamente, por ejemplo, las estructuras soldadas de paredes gruesas son más propensas a la fractura por fragilidad que las estructuras aliviadas de tensión.

Tipos de tensiones residuales

A continuación se muestran los diferentes tipos de tensiones residuales:

Esfuerzos residuales de tracción:

Las tensiones residuales de tracción disminuyen la resistencia a la fatiga y dan como resultado la falla por fatiga. Por lo general, son los efectos secundarios de las producciones que dan como resultado una molienda agresiva que provoca el crecimiento de grietas. También pueden introducir retracción, ajuste, flexión o torsión. La torsión siempre permanece en los componentes fundidos como tensiones residuales que pueden causar grietas en la superficie del componente. Además, el agrietamiento por corrosión bajo tensión es un evento que ocurre donde hay tensiones residuales de tracción.

Tensiones residuales de compresión:

Las tensiones residuales de compresión aumentan tanto la resistencia a la fatiga como la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Pueden formarse intencionalmente mediante procesos como granallado, granallado con láser, bruñido de baja plasticidad y autofrettage. La tensión del material endurece o trabaja en frío el material. Principalmente, la importancia de inducir tensiones residuales de compresión es equilibrar los efectos perjudiciales de las tensiones de tracción. El proceso de tratamiento térmico que se conoce como recocido de alivio de tensión también se utiliza para reducir la tensión de tracción residual.

Las tensiones residuales también se pueden clasificar en tres tipos:

Esfuerzo residual tipo 1:

Estos tipos de tensiones residuales se conocen como tensiones macroresiduales que a menudo se desarrollan en los granos. Esto es el resultado de cualquier cambio en el equilibrio de la tensión residual que dará como resultado un cambio en las dimensiones macroscópicas. Los tratamientos o procesos que causan la distribución no homogénea de las deformaciones producirán tensiones residuales de tipo 1.

Esfuerzo residual tipo 2:

Las tensiones residuales de tipo 2 son microtensiones residuales desarrolladas en un grano. Pueden de diferentes tamaños en diferentes granos. La transformación martensítica es la mejor para producir esta tensión residual. Durante el proceso de transformación se obtiene una transformación incompleta de la austenita. Sin embargo, el volumen de la martensita es mayor que el de la austenita, lo que genera diferentes formas de tensiones residuales.

Esfuerzo residual tipo 3:

Las tensiones residuales de tipo 3 son tensiones residuales submicro desarrolladas dentro de varias distancias atómicas del grano. Su formación está provocada por defectos cristalinos como vacancias, dislocaciones, etc.

Mire el video a continuación para obtener más información sobre las tensiones residuales:

¿Cómo medir las tensiones residuales?

Existen diferentes técnicas que se pueden utilizar para medir la tensión residual, que se clasifican ampliamente en destructivas, semidestructivas y no destructivas. Suelen utilizarse en función de la información requerida.

¡Vamos a comprender estas técnicas de medición de tensión residual!

Destructivo:

Las técnicas de medición destructivas de la tensión residual se realizan destruyendo el objeto o material a medir. Generalmente se llevan a cabo con fines de investigación y desarrollo. Y es un método más económico para medir y detectar la tensión residual en comparación con las pruebas no destructivas.

Las pruebas destructivas se pueden realizar de dos maneras:

• Método de contorno

Los métodos de contorno determinan la tensión residual cortando un objeto en dos y midiendo los mapas de altura de la superficie hacia el plano libre creado por el corte. Este método determina las deformaciones causadas por la distribución de tensiones residuales y se utiliza para conocer la cantidad de tensión residual a través de un modelo de elementos finitos elásticos de la probeta. El resultado es un mapa 2D de tensión residual que es normal al plano de medición.

• Método de corte longitudinal

Los métodos de corte longitudinal son técnicas utilizadas para medir el espesor de la tensión residual normal a un plano cortado a través de un objeto. Esto implica cortar una hendidura delgada en incrementos de profundidad a través del grosor de la pieza de trabajo. La deformación resultante medida se logra mediante la profundidad de la rendija. Y la tensión residual se calcula por la posición de espesor total, que se determina resolviendo un problema inverso usando deformaciones medidas.

Semidestructivo:

Una técnica de medición de tensión residual semidestructiva es similar a una de tipo destructivo. Esto se debe a que utilizan un principio de liberación de tensión para determinar la tensión residual. Pero solo se eliminó una pequeña cantidad de material en lugar de destruirlo. Permite que la estructura mantenga mejor su integridad.

Las pruebas semidestructivas también se realizan de dos maneras:

• Perforación de agujeros profundos

La perforación profunda se logra perforando un agujero a través del espesor de un material, midiendo el diámetro del agujero. Cortar una ranura circular alrededor del orificio para eliminar un núcleo de material alrededor del orificio y luego volver a medir el diámetro del orificio. Las tensiones residuales se descubren aquí por el cambio geométrico.

• Perforación del agujero central

Las técnicas de perforación del orificio central se realizan perforando un pequeño orificio en un objeto. Entonces, cuando se elimina el material que contiene tensión residual, el material restante alcanza un nuevo estado de equilibrio. A esto se asocian las deformaciones alrededor del agujero. Se utilizan galgas extensiométricas o métodos ópticos para medir las deformaciones alrededor del orificio durante el análisis. La tensión residual original en el material se calcula a partir de las deformaciones medidas.

No destructivo:

No destructivo es otro método para medir y probar tensiones residuales en un material. Se trata de medir los efectos de las relaciones entre las tensiones residuales y sus cambios materiales en el espaciado de la red cristalina.

El método no destructivo se puede lograr de tres maneras:

• Difracción de neutrones

Los neutrones se utilizan para medir el espaciado de la red cristalina en un material. Los neutrones existentes en el objeto tienen una energía comparable a los neutrones incidentes. Esto permite determinar la tensión residual a partir del espaciado de la red.

• Difracción de rayos X de sincrotrón

Se utiliza un sincrotrón para acelerar la radiación electromagnética para permitir un espesor real que conoce el espaciado de la red del material. Se utiliza un enfoque similar a la difracción de neutrones para calcular la tensión residual.

• difracción de rayos X

La medición de la tensión residual de la superficie se logra con este método, ya que los rayos X solo penetran en la superficie del objeto unos pocos cientos de micras.

Cómo controlar el estrés residual

El control de la tensión residual es común en el material, ya que será beneficioso exigir algún tipo de tensión en las aplicaciones. Los materiales están expuestos a condiciones de agrietamiento por fatiga o corrosión bajo tensión o si las tensiones residuales son lo suficientemente grandes como para provocar la deformación o el agrietamiento de los componentes.

El control de las tensiones residuales se puede lograr mediante tratamientos mecánicos como granallado, laminado en frío ligero y estiramiento. Se utilizan pequeñas cantidades de compresión para inducir tensión residual de compresión en la superficie de un componente. El tratamiento térmico de alivio de tensiones, el control del proceso de tratamiento térmico y la selección de aleaciones son otros métodos para controlar las tensiones residuales.

Dado que el límite elástico del metal disminuye a medida que aumenta su temperatura, los metales se pueden aliviar calentándolos a una temperatura en la que el límite elástico del metal sea igual o menor que la magnitud de la tensión residual. Si esto sucede, el metal puede sufrir una deformación plástica microscópica, lo que liberará al menos una parte de la tensión residual. Después del alivio de tensión, la tensión residual máxima que queda en el objeto será igual al límite elástico del material a la temperatura de alivio de tensión.

Las tensiones residuales se pueden reducir mediante el uso de tasas de enfriamiento reducidas para reducir las variaciones de temperatura, de modo que las transformaciones de fase puedan ocurrir de manera más uniforme en toda la sección transversal de un componente. Bueno, esto se basará en la perspectiva del procesamiento de componentes. En este caso, se pueden seleccionar aleaciones de velocidades de enfriamiento más lentas, mientras que seguirán ocurriendo las transformaciones de fase deseadas.

Conclusión

Se ha visto que las tensiones residuales son de posición o negativas sobre el material. Pueden ocurrir y reducir la longevidad del material y también, pueden implementarse deliberadamente en un objeto para obtener ciertas tensiones residuales. En este artículo, hemos visto la definición, los tipos, las causas, los efectos, el control y cómo medir las tensiones residuales.

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