Esfuerzos residuales estructuras de acero

ESFUERZOS RESIDUALES

Los esfuerzos que “encapsula” un material libre de carga se conocen como esfuerzos residuales. El proceso de soldadura es conocido por inducir estos esfuerzos al material soldado. En este trabajo, a través del método del barreno ciego, se evalúan los esfuerzos residuales en dos placas de acero 1018 unidas por medio del proceso GMAW, comparando dos puntos de medición alejadas a diferentes distancias con respecto al cordón de soldadura. Se calculan los esfuerzos residuales con referencia al estándar ASTM E 837 –08 y se comparan los valores obtenidos en ambos puntos de medición.

Los esfuerzos residuales son una consecuencia de iteraciones entre tiempo, temperatura, deformación y micro estructura. Los desarrollos de los esfuerzos residuales son por varios factores como: la conductividad térmica, la capacidad calorífica, la expansión térmica, módulo de elasticidad, la relación de Poisson, la plasticidad y relaciones de fase. Todos los procesos de manufactura inducen esfuerzos residuales en partes mecánicas, los cuales afectan la resistencia a la fatiga y a la fractura. Los metales que se utilizan comúnmente en la manufactura de diversos productos constan de muchos cristales individuales orientados al azar (granos); por lo tanto, las estructuras metálicas no son monocristalinas sino policristalinas (“muchos cristales”). Cuando una masa de metal fundido comienza a solidificar, los cristales empiezan a formarse independientemente unos de otros en varios lugares dentro de la masa líquida; tienen orientaciones al azar y sin relación unas con otras. Después, cada uno de ellos crece en una estructura cristalina o grano. El número y los tamaños de los granos desarrollados en una unidad de volumen del metal dependen de la velocidad a la que tiene lugar la nucleación (etapa inicial de formación de cristales).

El tamaño de grano influye de modo significativo en las propiedades mecánicas de los metales. A la temperatura ambiente, por ejemplo, el tamaño grande del grano se asocia en general con resistencia, dureza y ductilidad bajas. Los granos grandes, particularmente en las hojas metálicas, también provocan una superficie de apariencia rugosa después de estirar el material. El tamaño de grano también se puede determinar comparándolo con un estándar. El número del tamaño de grano de ASTM (American Society for Testing and Materials); para este tema no es importante detallar el tamaño del grano.

Los esfuerzos residuales son los esfuerzos que existen en la parte mecánica sin que exista la aplicación de cargas externas (incluyendo gravedad) u otras fuentes de esfuerzos tales como gradientes térmicos. Las tensiones residuales son aquellas tensiones que permanecen una vez que un cuerpo está en reposo y en equilibrio con su entorno (sin carga mecánica).

Pueden ser ampliamente caracterizados, por las escalas de longitud sobre la que el auto de estrés se equilibra, en tres grupos:

• Tipo I: varían en distancias que son grandes en relación con la micro estructura del material.
• Tipo II: varían de grano a grano en el material.
• Tipo III: variar dentro de un solo grano.

[pic 1]

La primera tipo I, se extiende sobre varios granos de material como se observa en la figura 2-1 y son causadas por muchos procesos de fabricación tales como la forja, soldadura, fundición y laminación (véase la Figura 2-2 para algunos ejemplos). Ellos pueden introducirse durante el servicio por el desgaste o daño, o introducidos intencionalmente durante el procesamiento. Tensiones residuales de tracción ya sea de micro o macro dimensiones estructurales afectando negativamente a la vida de fatiga y causando estrés corrosión.

La de tipo II la llamamos micro esfuerzos estructurales, actúan sobre una distancia de un grano o una parte podemos observarlo en la figura 2-1 y esta puede ocurrir entre diferentes fases y tiene características físicas diferentes o entre partículas incrustadas, tales como inclusiones en la matriz.

La tercera forma tipo III, es sobre varias distancias atómicas dentro del grano y se equilibra en una parte pequeña del grano como lo observamos en la figura 2-1. Los esfuerzos residuales de tensión son generalmente considerados como problemático, afectando negativamente a la vida de fatiga y causando corrosión bajo tensión y la propagación de grietas en materiales. Las tensiones de compresión, por otra parte, pueden tener un efecto beneficioso en estas áreas, mediante la inhibición de la nucleación de grietas y el crecimiento. Todas estas tensiones generadas por diferentes causas como lo muestra la figura 2-2. Las tensiones residuales son difíciles de predecir debido a su dependencia de muchos procesos de fabricación (y la vida de servicio anterior), por lo que la caracterización y medición son importantes. Si son desconocidos, pueden causar fallo cuando se combina con tensiones aplicadas.[pic 2]

En general los esfuerzos residuales pueden ser inducidos por:

1. Flujo plástico no homogéneo bajo la acción de tratamiento externo (láser shock treatment, shot-peening, Autofrettage, Martilleo).
2. Deformación Plástica no homogénea durante calentamiento o enfriamiento no uniforme (ordinariamente temple y moldeo de plásticos).
3. Deformación estructural de trabajado de metales (Tratamiento térmico).
4. Heterogeneidad de orden químico o cristalográfico (nitrurado o carburizado).
5. Varios tratamientos superficiales (Recubrimientos por CVD, PVD y plating de cromo y níquel).
6. Diferencias en el Coeficiente de Expansión e incompatibilidades mecánicas de los diferentes componentes de los compuestos (compuestos con una matriz metálica, orgánica y recubrimientos cerámicos).

Investigaciones realizadas en la Universidad de Lehigh han demostrado que los esfuerzos residuales y su distribución son factores muy importantes que afectan la resistencia de las columnas de acero cargadas axialmente. Estos esfuerzos son de gran importancia en columnas con relaciones de esbeltez de 40 a 120, intervalo que incluye un gran porcentaje de las columnas usadas en la práctica. Una causa muy importante de los esfuerzos residuales es el enfriamiento desigual que sufren los perfi les después de haber sido laminados en caliente. Por ejemplo, en un perfi l W los puntos exteriores de los patines y la parte media del alma se enfrían rápidamente, en tanto que las zonas de intersección del alma con los patines lo hacen más lentamente.

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