Definición de esfuerzo residual:

Uno de los principales problemas a los que se enfrenta la industrial metal-mecánica es la acumulación de esfuerzo (stress) o tensiones que provocan la deformación y la pérdida de la estabilidad dimensional y estructural. Fabricantes de aceros, de máquina-herramienta, matriceros, caldererías, fundiciones, empresas de maquinado, etc. pueden experimentar problemas con la retención de tolerancias dimensionales en la producción de sus piezas.

Podemos definir las tensiones residuales como cualquier esfuerzo en un cuerpo elástico que se encuentre libre de fuerzas o restricciones externas y de cambios o gradientes de temperatura.

La tensión estructural, cuando no es homogenea, pueden ocasionar deformaciones del material. Grandes esfuerzos en un lado de la pieza provocan movimiento o deformación. Si los esfuerzos son iguales a lo largo de toda la pieza, se compensan y no hay deformación. Si el desequilibrio es demasiado grande, la pieza jamás volverá a su condición anterior.

En los esfuerzos residuales hay dos componentes a tener en cuenta: tensión y compresión. Las leyes de la física y las matemáticas exigen un equilibrio entre la magnitud de compresión y la de tensión. Desafortunadamente, en el trabajo con el metal, no hay un equilibrio uniforme.

La meta es producir un buen componente metálico o una estructura con bajos esfuerzos residuales. Esto requiere un programa para el alivio o la reducción de estas tensiones con el fin de evitar futuros daños en el material.

Visión general de toma de medidas del esfuerzo residual en materiales

Existen diferentes técnicas usadas para medir el esfuerzo residual, las cuales son en general categorizadas en destructivas, semi-destructivas y no destructivas. La selección de la técnica a utilizar dependerá del tipo de información requerida del análisis y de la naturaleza del espécimen de medida. Algunos factores a considerar incluyen la profundidad, penetración de la medida (superficie o espesor total), escala de longitud a ser medida (macroscópica, mesoscópica y microscópica), resolución de la información requerida y también la geometría de composición y localización del espécimen. Además, algunas de las técnicas ya indicadas, necesitan ser realizadas en instalaciones de laboratorio especializadas, lo que significa que la toma de medidas "en sitio" no resulta posible para todas las técnicas.   

Diferentes técnicas para considerar en la medición del esfuerzo residual:

Técnicas destructivas:

Las técnicas destructivas resultan en largos e irreparables cambios estructurales al espécimen, lo que significa que el espécimen no podrá regresar a servicio, o una maqueta o repuesto del espécimen debe ser usado para realizar el ejercicio.  Estas técnicas funcionan usando un principio de "liberación de deformación" cortando en alguna sección el espécimen medido para lograr relajar el esfuerzo residual y entonces lograr medir la forma deformada. Mientras estas deformaciones son usualmente elásticas, hay una relación lineal explotable entre la magnitud de la deformación y la magnitud del esfuerzo residual liberado. Las técnicas destructivas para medición de esfuerzo residual incluyen los siguientes tipos:

• Método de contorno: 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 o cumplimiento de grietas: mide la tensión residual a través del grosor de una muestra, en una "ranura" normal a una cortada. 
• Bloque de eliminación / división / capas
• Sach´s Boring

Técnicas semi destructivas:

Similarmente a las técnicas destructivas, estas también funcionan usando el principio de "liberación de deformación". Sin embargo, estas remueven únicamente una pequeña cantidad de material, dejando la integridad general de la estructura intacta. Las técnicas semi destructivas para la medición del esfuerzo residual incluyen los siguientes tipos: 

• Perforación de hoyo profundo: mide los esfuerzos residuales a través del espesor de un componente mediante la relajación de loes esfuerzos en un "núcleo"  rodeando un pequeño diámetro de hoyo perforado.  
• Perforación de hoyo central: mide el esfuerzo residual cerca a la superficie mediante la relajación de deformación correspondiente a un pequeño hoyo perforado superficialmente con un rosetón extensométrico. El hoyo central de la perforación es apropiado para una profundidad de 4 mm. Alternativamente, una perforación a ciegas puede ser hecha en el campo para un ensayo en sitio. 
• Núcleo de anillo: similar a la perforación de hoyo central, pero con una penetración mayor y con el corte hecho alrededor del rosetón extensométrico en vez de a través del centro.  

Técnicas no destructivas:

Las técnicas no destructivas para la medición del esfuerzo residual miden los efectos de las relaciones entre los esfuerzos residuales y sus acciones de propiedades cristalográficas del material medido. Algunos de estas técnicas trabajan mediante la medición de radiación electromagnética de difracción de alta frecuencia, a través de un espaciado reticular atómico (el cual ha sido deformado debido al esfuerzo) relativo a la muestra sin esfuerzo. Las técnicas ultrasónicas y magnéticas explotan las propiedades acústicas y ferromagnéticas de los materiales para realizar medidas relativas de esfuerzo residual. El sistema “eStress” usa un sistema de medición electromagnética.

Las técnicas no destructivas incluyen:  

• Difracción de neutrón: una técnica probada que puede medir a través del espesor pero la cual requiere una fuente de neutrones (como un reactor nuclear).
• Difracción Sincrotrón   
• Difracción de Rayos X: una técnica superficial limitada con penetración de unos pocos cientos de micrones solamente. 
• Ultrasónica: un proceso experimental aún en proceso.  
• Magnético: puede ser usado con muestras de dimensiones limitadas. 
• eStress: el sistema eStress es un sistema basado en electromagnetismo para medición del esfuerzo residual a través del espesor en una variedad de metales, las medidas de eStress pueden ser realizadas donde sea y pueden penetrar a través de varias pulgadas del metal, evitando las limitaciones de los demás métodos mencionados. Los ensayos de difracción de neutrones en combinación con el eStress confirman la exactitud del sistema eStress, el cual puede ser aplicado a metales de todas clases. Las mediciones se toman donde sea desde 1-20 segundos por localización, permitiendo mediciones de cualquier ubicación en un día dado. 

Para la medición del esfuerzo residual por medio de la técnica de difracción de rayos X, en Yamazen manejamos el Analizador portátil de estrés residual, Pulstec 'µ-X360S'

El µ-X360S es un analizador por rayos X de estrés residual en materiales poli-cristalinos (que sus moléculas están organizadas en forma periódica –cristalina- o en agregados de pequeños cristales), tales como:

• Metales (hierro, aceros, zinc, cobre, aluminio, bronce, titanio…)*
• Cerámicos (Nitruro de Silicio, CBN, Semiconductores, Cermets…)

*diferentes materiales pueden requerir diferentes emisores de rayos X. Estos son componentes intercambiables del dispositivo. Solicite más información con su agente de ventas.

Te invitamos a leer la información completa del equipo en el siguiente enlace: https://yamazen.com.mx/blog/industrial-equipment/nuevo-analizador-portatil-de-estres-residual-x360s.html

Procesos para la liberación del esfuerzo residual:

Cuando un esfuerzo residual no deseado está presente desde antes de las operaciones del trabajo del metal, la cantidad de esfuerzo residual puede ser reducida usando distintos métodos. Éstos métodos puede ser clasificados en térmicos y mecánicos. Ambos tipos de métodos incluyen procesamiento de las partes para ser liberadas del esfuerzo como un todo. 

Método térmico:

La eliminación de tensión se lleva a cabo con el fin de minimizar las tensiones residuales presentes en la estructura, reduciendo así el riesgo de cambios dimensionales y/o fisuras en el tratamiento térmico o durante su uso.

El método térmico incluye el cambio de temperatura de la parte entera uniformemente, ya sea a través de calentamiento o enfriamiento. Cuando las partes se calientan para la liberación de esfuerzo, el proceso también puede ser llamado como horneado de liberación de esfuerzo. Las partes enfriadas para la liberación de esfuerzo son llamadas como liberación de esfuerzo criogénico y no es común.   

Beneficios de la liberación de esfuerzo residual:

El maquinado por arranque de viruta y/o electroerosión produce deformaciones plásticas en el material ocasionando tensiones internas que podrían provocar cambios dimensionales y/o fisuras no deseadas si se liberan en forma no controlada, para minimizar estos riesgos en necesario efectuar un alivio de tensiones a las piezas a fin de dejarlas aptas para los siguientes procesos de manufactura y aumentar su vida útil.

El tratamiento de alivio de tensiones cobra una especial relevancia en piezas que tienen tolerancias dimensionales muy limitadas y que van a ser sometidas a nitruración o “tenifer”.

Aplicaciones

La eliminación de tensión no modifica la estructura del material y no afecta en forma significativa su dureza. En piezas templadas y revenidas el tratamiento se debe hacer a una temperatura 50 °C por debajo de la temperatura usada en el último revenido con el fin de evitar cambios en la dureza de la pieza. Para el caso de las piezas a las que se les va a realizar el proceso de “nitruración” la temperatura debe ser superiores 600 °C.

Para grandes desbastes se sugiere realizar dos alivios de tensiones, uno cuando se haya maquinado el 50% de la pieza y el otro 50% al final, con el propósito de minimizar las deformaciones durante el temple y así disminuir los riesgos de fisuras en diseños complejos.

Método de horneado para liberación de esfuerzo residual:

Muchos metales, cuando se calientan, experimentan una reducción del esfuerzo del límite elástico. Si el límite elástico del material es disminuido lo suficiente por calentamiento, las localizaciones dentro del material que experimentaron esfuerzos residuales más grandes que el límite elástico (en el estado de calentamiento) podrán ceder o deformarse. Esto deja el material con esfuerzos residuales que son tan altos como el límite elástico del material en su estado caliente.  

La liberación de esfuerzo no debe ser confundida con recocido o templado, las cuales son tratamientos de calentamiento para incrementar la ductilidad de un metal. Aunque estos procesos también incluyen el calentamiento del material a temperaturas altas y la reducción de esfuerzos residuales, también incluyen un cambio de las propiedades metalúrgicas, lo cual puede ser indeseable.  

Para ciertos materiales como acero de baja aleación, se debe tener cuidado durante el horneado de liberación de esfuerzo para no exceder la temperatura a la cual el material alcanza su dureza máxima (Ver Temple en aceros aleados).

Esfuerzos liberados criogénicamente:

La liberación de esfuerzo criogénica incluye colocar el material (usualmente acero) en un ambiente criogénico como nitrógeno líquido. En este proceso, el material a ser liberado de esfuerzo puede ser enfriado a una temperatura criogénica por un periodo largo, luego lentamente traído devuelta a una temperatura ambiente.

Métodos no térmicos:

Métodos mecánicos para liberar esfuerzos de tensión superficiales no deseables y reemplazarlos con esfuerzos residuales de compresión beneficiosos incluyen shot peening y laser peening. Cada una trabaja la superficie del material con un media: shot peening típicamente usa un material de vidrio o metal; el laser peening usa vigas de luz de alta intensidad para inducir una onda de choque que se propaga profundamente en el material.

Si necesitas asesoría técnica para la selección de equipos para equipos de medición del esfuerzo residual en tus materiales, no dudes en escribirnos a info@yamazen.com.mx para que nuestros expertos en ingeniería y resistencia de materiales puedan realizar una cita virtual contigo o incluso poder realizar una visita personal en tu empresa.

¡Saludos!

Luis Daniel Arzola  daniel.arzola@yamazen.com.mx