Método de perforación de agujeros

El método de perforación es un método para medir tensiones residuales ^{[ 1 ] [ 2 ]} en un material. Las tensiones residuales se producen en un material en ausencia de cargas externas. Estas tensiones interactúan con la carga aplicada al material, afectando su resistencia general, su comportamiento ante la fatiga y su corrosión. Las tensiones residuales se miden experimentalmente. El método de perforación es uno de los más utilizados para la medición de tensiones residuales ^{[ 3 ] .}

El método de perforación permite medir tensiones residuales macroscópicas cerca de la superficie del material. Su principio se basa en perforar un pequeño orificio en el material. Al eliminar el material con tensiones residuales, el material restante alcanza un nuevo estado de equilibrio. Este nuevo estado de equilibrio presenta deformaciones asociadas alrededor del orificio, las cuales están relacionadas con la tensión residual en el volumen de material eliminado. Las deformaciones alrededor del orificio se miden durante el experimento mediante galgas extensométricas o métodos ópticos. La tensión residual original en el material se calcula a partir de las deformaciones medidas. El método de perforación es popular por su simplicidad y es adecuado para una amplia gama de aplicaciones y materiales.

Entre las principales ventajas del método de perforación se incluyen la rapidez de preparación, la versatilidad de la técnica para diferentes materiales y su fiabilidad. Sin embargo, este método presenta limitaciones en cuanto a la profundidad del análisis y la geometría de la muestra, y es al menos semidestructivo.

La idea de medir la tensión residual perforando un orificio y registrando el cambio de su diámetro fue propuesta por primera vez por Mathar en 1934. En 1966, Rendler y Vignis introdujeron un procedimiento sistemático y repetible de perforación para medir la tensión residual. Posteriormente, el método se perfeccionó en cuanto a técnicas de perforación, medición de las deformaciones liberadas y la propia evaluación de la tensión residual. Un hito importante fue el uso del método de elementos finitos para calcular los coeficientes de calibración y evaluar las tensiones residuales a partir de las deformaciones liberadas medidas (Schajer, 1981). Esto permitió, en particular, la evaluación de tensiones residuales que no son constantes a lo largo de la profundidad. También amplió las posibilidades de uso del método, por ejemplo, para materiales no homogéneos, recubrimientos, etc. El procedimiento de medición y evaluación está estandarizado por la norma ASTM E837 ^{[ 4 ]} de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, lo que contribuyó a la popularidad del método. La perforación de orificios es actualmente uno de los métodos más extendidos para medir la tensión residual. Para la evaluación se utilizan métodos computacionales modernos. El método se está desarrollando especialmente en lo que respecta a las técnicas de perforación y las posibilidades de medición de las deformaciones. Algunos laboratorios, como la empresa MELIAD, ofrecen servicios de medición de tensiones residuales y la venta de equipos de medición conforme a la norma ASTM E837. Actualmente, este método está integrado en varias grandes empresas de los sectores energético y aeronáutico.

El método de perforación para medir las tensiones residuales consiste en hacer un pequeño orificio en la superficie del material. Esto libera las tensiones residuales y las deformaciones asociadas alrededor del orificio. Las deformaciones liberadas se miden en al menos tres direcciones independientes alrededor del orificio. La tensión residual original del material se evalúa a partir de las deformaciones medidas y utilizando los denominados coeficientes de calibración. El orificio se realiza con una fresa cilíndrica o mediante técnicas alternativas. Las deformaciones se miden con mayor frecuencia utilizando galgas extensométricas ( rosetas de galgas extensométricas ).

Es posible medir la tensión biaxial en el plano superficial. Este método se suele denominar semidestructivo debido al mínimo daño que produce en el material. Es relativamente sencillo, rápido y el dispositivo de medición suele ser portátil. Entre sus desventajas se incluyen el carácter destructivo de la técnica, la resolución limitada y la menor precisión de la evaluación en caso de tensiones no uniformes o propiedades del material no homogéneas.

Los denominados coeficientes de calibración desempeñan un papel importante en la evaluación de las tensiones residuales. Se utilizan para convertir las deformaciones aliviadas en la tensión residual original del material. Los coeficientes pueden derivarse teóricamente para un orificio pasante y una tensión homogénea. En ese caso, dependen únicamente de las propiedades del material, el radio del orificio y la distancia al mismo. Sin embargo, en la gran mayoría de las aplicaciones prácticas, no se cumplen las condiciones para el uso de los coeficientes derivados teóricamente; por ejemplo, no se incluye la deformación integral sobre el área del tensiómetro, el orificio es ciego en lugar de pasante, etc. Por lo tanto, se utilizan coeficientes que tienen en cuenta los aspectos prácticos de la medición. Estos se determinan principalmente mediante un cálculo numérico utilizando el método de elementos finitos. Expresan la relación entre las deformaciones aliviadas y las tensiones residuales, considerando el tamaño del orificio, la profundidad del orificio, la forma de la roseta tensiométrica, el material y otros parámetros.

La evaluación de las tensiones residuales depende del método utilizado para calcularlas a partir de las deformaciones medidas tras la liberación de tensión. Todos los métodos de evaluación se basan en principios fundamentales. Se diferencian en las condiciones previas de uso, los requisitos de precisión de los coeficientes de calibración o la posibilidad de considerar influencias adicionales. En general, el orificio se realiza en etapas sucesivas y las deformaciones se miden después de cada etapa.

Se han desarrollado varios métodos para la evaluación de tensiones residuales derivadas de deformaciones aliviadas. El método fundamental es el de tensión uniforme equivalente . Los coeficientes para un diámetro de orificio, tipo de roseta y profundidad de orificio específicos se publican en la norma ASTM E837. ^{[ 4 ]} Este método es adecuado para tensiones constantes o con poca variación a lo largo de la profundidad. Puede utilizarse como guía para tensiones no constantes; sin embargo, puede generar resultados muy distorsionados.

El método más general es el método integral . Este calcula la influencia de la tensión aliviada en la profundidad dada, la cual, sin embargo, varía con la profundidad total del orificio. Los coeficientes de calibración se expresan como matrices. La evaluación conduce a un sistema de ecuaciones cuya solución es un vector de tensiones residuales en profundidades específicas. Se requiere una simulación numérica para obtener los coeficientes de calibración. El método integral y sus coeficientes se definen en la norma ASTM E837. ^{[ 4 ]}

Existen otros métodos de evaluación que requieren menos coeficientes de calibración y un proceso de evaluación más sencillo. Entre ellos se incluyen el método de tensión promedio y el método de deformación incremental . Ambos se basan en la suposición de que el cambio de deformación se debe únicamente a la liberación de tensión en el incremento perforado. Son adecuados solo si existen pequeñas variaciones en los perfiles de tensión. Ambos métodos proporcionan resultados numéricamente correctos para tensiones uniformes.

El método de series de potencias y el método de splines son otras modificaciones del método integral. Ambos consideran tanto la distancia del efecto de la tensión a la superficie como la profundidad total del orificio. A diferencia del método integral, los valores de tensión resultantes se aproximan mediante un polinomio o un spline. El método de series de potencias es muy estable, pero no puede capturar valores de tensión que cambian rápidamente. El método de splines es más estable y menos propenso a errores que el método integral. Puede capturar los valores de tensión reales con mayor precisión que el método de series de potencias. La principal desventaja radica en los complejos cálculos matemáticos necesarios para resolver un sistema de ecuaciones no lineales.

El método de perforación de agujeros (archivado el 22/02/2018 en Wayback Machine) se utiliza en numerosas áreas industriales relacionadas con la producción y el procesamiento de materiales. Entre las tecnologías más importantes se incluyen el tratamiento térmico, el acabado superficial mecánico y térmico , el mecanizado, la soldadura, el recubrimiento y la fabricación de materiales compuestos. A pesar de su relativa universalidad, el método requiere que se cumplan estas condiciones fundamentales: la posibilidad de perforar el material, la posibilidad de aplicar rosetas tensiométricas (u otros medios para medir las deformaciones) y el conocimiento de las propiedades del material. Otras condiciones pueden afectar la precisión y la repetibilidad de la medición. Estas incluyen, en particular, el tamaño y la forma de la muestra, la distancia del área medida a los bordes, la homogeneidad del material, la presencia de gradientes de tensión residual, etc. La perforación de agujeros puede realizarse en el laboratorio o como medición de campo, lo que la hace ideal para medir tensiones reales en componentes grandes que no se pueden mover.

• Estrés residual
• perforación de agujeros profundos
• Perforación por fricción

• Medición de tensiones residuales mediante el método de perforación de agujeros, Universidad de Bohemia Occidental, Centro de Investigación de Nuevas Tecnologías, Departamento de Termomecánica de Procesos Tecnológicos.
• Mediciones de laboratorio y de campo de la tensión residual mediante perforación de agujeros. Archivado el 22/02/2018 en Wayback Machine.