Tensiones Residuales en Materiales: Tipos, Causas y Aplicaciones Prácticas

En los materiales sólidos, las tensiones residuales son aquellas que permanecen en ellos una vez eliminada la causa original que las generó. Estas tensiones pueden ser perjudiciales o beneficiosas; es decir, pueden ser deseables o indeseables. Una tensión residual no intencionada puede provocar la rotura prematura de una pieza, mientras que, controlada deliberadamente, se emplea en el vidrio templado para lograr pantallas de smartphones delgadas, resistentes a grietas y arañazos.

Hoy analizaremos la definición, aplicaciones, tipos, causas, efectos, diagrama, control y métodos de medición de las tensiones residuales.

¿Qué son las tensiones residuales?

Las tensiones residuales son tensiones que permanecen en un material —comunes en componentes soldados— incluso en ausencia de cargas externas o gradientes térmicos. Pueden causar deformaciones plásticas significativas, lo que conduce a distorsiones o alabeos. En algunos casos, afectan la susceptibilidad a la fractura y a la fatiga.

También se definen como tensiones «bloqueadas» dentro de un objeto metálico, aun cuando este está libre de fuerzas externas. Las tensiones pueden hacer que una región del metal quede constreñida por regiones adyacentes, impidiéndole contraerse, expandirse o liberar deformaciones elásticas. Dado que pueden ser de tracción o compresión, ambas pueden coexistir en un mismo componente.

¿Cuáles son las causas de las tensiones residuales?

Las tensiones residuales aparecen cuando un objeto o componente se somete a esfuerzos superiores a su límite elástico, provocando deformación plástica. Esta deformación puede deberse a:

• Transformaciones de fase durante el enfriamiento desde temperaturas elevadas.
• Tratamientos superficiales como esmaltado, galvanoplastia, recubrimientos PVD y CVD.
• Deformación plástica no uniforme durante calentamiento y enfriamiento.
• Heterogeneidad de orden químico o cristalográfico (nitruración, cementación).
• Deformación no plástica durante procesos mecánicos como laminado, conformado (doblado, estirado), mecanizado y tratamientos mecánicos superficiales (granallado, brunido por rodillos).

A continuación se describen las tres causas principales:

Variaciones térmicas:

Ocurren cuando un objeto se enfría desde una temperatura elevada, situación frecuente en uniones soldadas debido al intenso calor empleado. El gran diferencial de velocidades de enfriamiento entre la superficie y el interior genera variaciones localizadas de contracción térmica, creando tensiones no uniformes.

Durante el enfriamiento, la superficie se enfría más rápido y el material caliente queda comprimido en el centro. Mientras el núcleo tarda en enfriarse, queda constreñido por el material exterior ya frío. Esto genera tensiones residuales de tracción en el interior y de compresión en la superficie.

Procesado mecánico:

Las tensiones residuales por deformación plástica provienen del procesado mecánico. Surgen cuando la deformación plástica no es uniforme a lo largo de la sección transversal durante operaciones de fabricación como doblado, estirado, extrusión, laminado, etc.

Durante la deformación, una zona del material se comporta elásticamente y otra plásticamente. Al retirar la carga, la zona elástica intenta recuperar su forma, pero queda inhibida por la zona plásticamente deformada adyacente.

Transformación de fase:

Otra causa es la transformación de fase, que ocurre cuando un material cambia de fase, generando una diferencia de volumen entre la nueva fase y el material circundante que aún no se ha transformado. Esta diferencia volumétrica provoca expansión o contracción, originando tensiones residuales.

¿Cuáles son los efectos de las tensiones residuales?

Las tensiones residuales pueden ser beneficiosas o perjudiciales, según sean de tracción o compresión. Las tensiones residuales de tracción, si son lo bastante grandes, causan distorsión o agrietamiento. Además, son necesarias para la fatiga y la corrosión bajo tensión, ya que se suman algebraicamente a las tensiones aplicadas. Las tensiones residuales de tracción en superficie combinadas con tensiones aplicadas de tracción reducen la fiabilidad del material y pueden provocar corrosión bajo tensión.

En general, las tensiones residuales de compresión en superficie reducen los efectos de las tensiones aplicadas de tracción. De hecho, mejoran la resistencia a la fatiga y a la corrosión bajo tensión.

Como se mencionó, las tensiones residuales pueden tener efectos positivos o negativos según la aplicación. Los efectos positivos se logran cuando se incorporan intencionadamente en el diseño, por ejemplo, mediante peening láser, que induce tensiones de compresión en la superficie, endureciendo superficies frágiles o reforzando secciones delgadas.

Los efectos negativos también son frecuentes. Aunque a menudo son invisibles para los fabricantes, salvo que provoquen distorsión significativa, pueden comprometer la integridad estructural; por ejemplo, estructuras soldadas de pared gruesa son más propensas a fractura frágil que las que han sido aliviadas de tensiones.

Tipos de tensiones residuales

A continuación se describen los diferentes tipos:

Tensiones residuales de tracción:

Disminuyen la resistencia a la fatiga y provocan fallo por fatiga. Suelen ser efecto secundario de procesos productivos que implican rectificado agresivo, favoreciendo el crecimiento de grietas. También pueden introducirse por encogimiento, ajuste por contracción, doblado o torsión. La torsión permanece a menudo en piezas fundidas como tensión residual, pudiendo causar agrietamiento superficial. Además, la corrosión bajo tensión ocurre donde existen tensiones residuales de tracción.

Tensiones residuales de compresión:

Aumentan tanto la resistencia a la fatiga como la resistencia a la corrosión bajo tensión. Pueden inducirse intencionadamente mediante granallado, peening láser, brunido de baja plasticidad y autofreaje. El material se endurece por deformación o trabajo en frío. El objetivo principal de inducir tensiones de compresión es contrarrestar los efectos perjudiciales de las tensiones de tracción. El tratamiento térmico de alivio de tensiones (recocido) también se emplea para reducir las tensiones residuales de tracción.

Las tensiones residuales también pueden clasificarse en tres tipos según su escala:

Tensión residual de tipo 1:

Conocidas como macro-tensiones residuales, se desarrollan a nivel de granos. Cualquier cambio en su equilibrio provoca variación en las dimensiones macroscópicas. Tratamientos o procesos que causen distribución inhomogénea de deformaciones generan tensiones de tipo 1.

Tensión residual de tipo 2:

Son micro-tensiones residuales que se desarrollan dentro de un solo grano. Pueden variar de tamaño entre granos. La transformación martensítica es muy eficaz para generarlas. Durante la transformación, se produce una transformación incompleta de la austenita; como el volumen de la martensita es mayor, surgen diversas tensiones residuales.

Tensión residual de tipo 3:

Son sub-micro-tensiones residuales que se desarrollan a distancias del orden de varios diámetros atómicos dentro del grano. Su formación se debe a defectos cristalinos como vacantes, dislocaciones, etc.

Mira el vídeo para aprender más sobre tensiones residuales:

¿Cómo medir las tensiones residuales?

Existen diversas técnicas de medición, ampliamente categorizadas en destructivas, semi-destructivas y no destructivas. La elección depende de la información requerida.

Veamos estas técnicas de medición:

Destructivas:

Las técnicas destructivas implican la destrucción del objeto a medir. Suelen emplearse en investigación y desarrollo, y resultan más económicas que las no destructivas.

Pueden realizarse de dos formas:

• Método del contorno

Determina las tensiones residuales cortando el objeto en dos mitades y midiendo los mapas de altura de las superficies resultantes respecto al plano libre creado por el corte. Este método evalúa las deformaciones causadas por la distribución de tensiones y permite conocer su magnitud mediante un modelo de elementos finitos elástico del espécimen. El resultado es un mapa 2-D de tensiones residuales normal al plano de medición.

• Método de ranurado (slitting)

Se utiliza para medir la distribución de tensiones residuales a lo largo del espesor, normal a un plano de corte. Consiste en practicar una ranura fina de forma incremental a través del espesor de la pieza. La deformación resultante se mide en función de la profundidad de la ranura, y la tensión residual se calcula resolviendo un problema inverso a partir de las deformaciones medidas.

Semi-destructivas:

Las técnicas semi-destructivas son similares a las destructivas, pues utilizan el principio de liberación de deformación, pero solo se retira una pequeña cantidad de material, preservando mejor la integridad de la estructura.

También se realizan de dos formas:

• Perforación profunda (deep hole drilling)

Consiste en taladrar un orificio a través del espesor del material, medir su diámetro, practicar una ranura circular alrededor para extraer un núcleo de material y volver a medir el diámetro. Las tensiones residuales se deducen del cambio geométrico.

• Perforación central (centre hole drilling)

Se taladra un pequeño orificio en el objeto. Al retirar el material con tensión residual, el material restante alcanza un nuevo estado de equilibrio. Las deformaciones alrededor del orificio se asocian a este cambio. Se utilizan extensómetros o métodos ópticos para medir dichas deformaciones, y a partir de ellas se calcula la tensión residual original.

No destructivas:

Implican medir las relaciones entre las tensiones residuales y los cambios en el espaciado de la red cristalina.

Pueden lograrse de tres formas:

• Difracción de neutrones

Los neutrones miden el espaciado de la red cristalina. Los neutrones en el objeto tienen energía comparable a la de los neutrones incidentes, permitiendo determinar la tensión residual a partir del espaciado de la red.

• Difracción de rayos X en sincrotrón

Un sincrotrón acelera la radiación electromagnética para lograr una penetración real que revela el espaciado de la red del material. Se emplea un enfoque similar a la difracción de neutrones para calcular la tensión residual.

• Difracción de rayos X

Permite medir tensiones residuales superficiales, ya que los rayos X solo penetran unos pocos cientos de micrómetros en la superficie.

Cómo controlar las tensiones residuales

El control de tensiones residuales es habitual cuando el material estará expuesto a fatiga o corrosión bajo tensión, o cuando las tensiones son lo bastante grandes como para causar deformación o agrietamiento.

Puede lograrse mediante tratamientos mecánicos como granallado, laminado en frío ligero y estirado. Pequeñas compresiones inducen tensiones residuales de compresión en la superficie. El tratamiento térmico de alivio de tensiones, el control del proceso de tratamiento térmico y la selección de aleaciones son otros métodos de control.

Dado que el límite elástico del metal disminuye al aumentar la temperatura, los metales pueden aliviarse calentándolos a una temperatura donde su límite elástico sea igual o inferior a la magnitud de la tensión residual. Si esto ocurre, el metal sufre deformación plástica microscópica, liberando al menos una parte de la tensión residual. Tras el alivio, la tensión residual máxima restante será igual al límite elástico del material a la temperatura de alivio.

Las tensiones residuales pueden reducirse usando velocidades de enfriamiento menores para atenuar las variaciones térmicas, de modo que las transformaciones de fase ocurran de forma más uniforme a lo largo de la sección transversal del componente. Desde la perspectiva del procesado, pueden seleccionarse aleaciones de enfriamiento más lento, manteniendo las transformaciones de fase deseadas.

Conclusión

Las tensiones residuales pueden ser positivas o negativas para el material. Pueden reducir su vida útil o implementarse deliberadamente para obtener ciertos beneficios. En este artículo hemos examinado la definición, tipos, causas, efectos, control y métodos de medición de las tensiones residuales.

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