Desarrollo e integración computacional de modelos optimizados de comportamiento de materiales sometidos a elevadas velocidades de deformación en procesos de LSP

Angulo Ramonell, Ignacio (2020). Desarrollo e integración computacional de modelos optimizados de comportamiento de materiales sometidos a elevadas velocidades de deformación en procesos de LSP. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.64520.

Description

Title: Desarrollo e integración computacional de modelos optimizados de comportamiento de materiales sometidos a elevadas velocidades de deformación en procesos de LSP
Author/s:
  • Angulo Ramonell, Ignacio
Contributor/s:
  • Ocaña Moreno, José Luis
  • García Beltrán, Ángel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Física Aplicada e Ingeniería de Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La constante evolución de los materiales como respuesta a las necesidades demandadas por la industria, exige tanto el avance como la implementación de nuevos procesos que permitan aumentar tanto la resistencia mecánica de materiales metálicos, como su vida útil ante la gran variedad de solicitaciones a las que se enfrentan. En los años 50 del siglo XX, se pudo comprobar el fallo en los ejes de las ruedas de los trenes durante su servicio, a pesar de no experimentar deformación plástica en ningún caso. Las cargas de flexión rotativa implicadas generan estados tensionales elásticos en los que se alternan tracción y compresión de manera consecutiva, causando el fallo del material tras un número elevado de ciclos sin que este haya experimentado deformación plástica. Se documentó entonces por primera vez el fenómeno conocido como rotura a fatiga, quedando patente que la presencia de cargas cíclicas elásticas, promueven la formación de grietas superficiales y su posterior propagación hacia el núcleo del material, desembocando en el fallo catastrófico de piezas de gran responsabilidad. Desde entonces hasta el día de hoy, se han desarrollado numerosas líneas de investigación intensiva orientadas tanto a predecir la vida a fatiga en gran variedad de situaciones, como a aumentar la vida útil en piezas de gran responsabilidad a través de procesos térmicos (temple, revenido), termoquímicos (cementación, nitruración) y mecánicos (laminación, Shot Peening, Laser Shock Processing). La deformación plástica de los materiales metálicos mediante ondas de choque generadas por láser (LSP), ha demostrado ser un proceso efectivo en lo que se refiere al aumento de la vida a fatiga en materiales metálicos. En LSP, se irradia la superficie metálica del material a tratar mediante un haz láser pulsado de gran intensidad (alrededor de 1 GW/cm2), formándose un plasma (gas ionizado) a gran presión. Su expansión, limitada gracias al confinamiento que proporciona un medio transparente a la radiación, genera dos ondas de choque, una que se propaga a través del medio confinante y otra de igual magnitud, que se propaga a través del material irradiado, generando tensiones residuales de compresión que limitan tanto la formación de grietas en la superficie, como su propagación a través del material, aumentando en consecuencia su vida a fatiga. Este proceso se ha aplicado con éxito en el sector aeronáutico en el tratamiento de elementos de gran valor añadido, como las turbinas de los aviones, quedando protegidas ante el impacto con pequeñas partículas durante su servicio (Foreign Object Damage). Se ha implantado también en la industria nuclear en el tratamiento de las vasijas de los reactores nucleares, mejorando su resistencia a corrosión. Su competidor más inmediato es el proceso conocido como Shot Peening (SP), en el que pequeñas esferas cerámicas o de carburo de Wolframio se hacen impactar a gran velocidad contra la superficie del material, generándose una onda de choque que se propaga a través del material, deformándolo plásticamente. Debido a su bajo coste de implantación con relación al LSP, ha tenido también buena acogida en el sector aeronáutico. Sin embargo, muchos estudios demuestran que el LSP proporciona resultados más homogéneos, debido a que se controla la energía depositada en todo momento; un mejor acabado superficial, que resulta favorable de cara a limitar tanto la generación de la grieta en la superficie, como su propagación a través del material y una mayor profundidad afectada por el tratamiento, lo que dificulta más la propagación de la grieta. Si bien es cierto que a lo largo de la historia se ha dedicado un gran esfuerzo a la experimentación en busca de los parámetros más adecuados, es preciso desarrollar paralelamente herramientas que permitan la caracterización predictiva de las tensiones residuales obtenidas. Esto permite, además de optimizar el proceso, profundizar en el conocimiento de los fenómenos físicos complejos relacionados con la propagación de ondas. El avance exponencial de las capacidades de computación permite actualmente simular tratamientos completos que hasta hace poco eran inabordables computacionalmente. En la presente tesis, se hace uso de dichas capacidades de computación para proporcionar mejoras sustanciales en lo que se refiere a los modelos de material utilizados en LSP. Un estudio en profundidad de la teoría de la propagación de ondas, junto con la ayuda posterior de las simulaciones, permite identificar elementos clave a modelar en LSP que habitualmente pasan desapercibidos. Más específicamente, hará especial énfasis en la consideración explícita de la plasticidad cíclica en los modelos de material cuando se aplican múltiples pulsos en la misma zona (tratamientos extensos). Además, se modelará la anisotropía en las curvas de tensión-deformación en aleaciones altamente anisótropas. El orden de los temas presentados sigue una línea creciente en complejidad, garantizando así una auto consistencia en todos los desarrollos presentados. Se describen sucintamente a continuación: i) El capítulo 1 contiene una introducción al LSP, en el que se describen brevemente los orígenes del proceso, sus ámbitos de aplicación industrial, las principales líneas de investigación seguidas y los procesos mecánicos semejantes con los que compite, destacando el Shot Peening (SP). ii) En el capítulo 2 se resumen los principales desarrollos documentados por otros autores, donde se establecerá un punto de partida inicial que justifique los desarrollos presentes en los siguientes capítulos. En LSP se estudian de manera paralela dos etapas bien diferenciadas, pero a su vez, complementarias: La primera es el estudio de la formación y expansión del plasma, que permite convertir una distribución de energía depositada sobre la superficie en una distribución espacio-temporal de presiones. La segunda es el estudio de la propagación de la onda de choque a través del material, en donde tendrá especial relevancia los modelos de material implicados. iii) En el capítulo 3 se describen los desarrollos propios implementados en la línea de avanzar en la caracterización predictiva de las tensiones residuales de compresión generadas tras el tratamiento. Se comienza detallando la teoría de propagación de ondas y los ciclos de tensiones experimentados por el material impactado, justificándose la necesidad de incorporar algunos elementos en los modelos de material: La consideración explícita de la plasticidad cíclica en los modelos de material sobre materiales sometidos a tratamientos intensos y la incorporación de la anisotropía en las curvas de tensión-deformación en materiales altamente anisótropos. Se presentará una metodología detallada para la completa implementación de cada modelo, particularizada para algunas aleaciones de aluminio (Al 2624 T351 y Al 2624 T39) y de magnesio (Mg AZ31B). iv) En el capítulo 4 se presentan los resultados obtenidos en diferentes condiciones de tratamiento, tanto las predicciones numéricas como los resultados experimentales. Se confirma que los nuevos modelos implementados proporcionan un mejor ajuste teórico-experimental. Se comienza con tratamientos sencillos sobre geometrías sencillas, que permiten validar los modelos, y se termina con casos más complejos, como tratamientos sobre especímenes con entalla, diseñados para posteriores ensayos a fatiga. v) En el capítulo 5 se detallan las principales conclusiones y las líneas de futuro desarrollo. Si bien en la presente tesis se logran avances significativos en la caracterización predictiva de las tensiones residuales, se hace preciso orientar una nueva línea de estudio en relación con el efecto del tratamiento LSP en las cercanías de los límites exteriores de las piezas. La línea fundamental de estudio para futuros desarrollos será la predicción de la vida a fatiga en especímenes diseñados para tal fin, a partir de las tensiones residuales de compresión generadas en el material. Los anexos incluidos como parte accesoria contienen información importante que se ha utilizado en el desarrollo de la Tesis y que se desea incluir para hacer el volumen auto consistente: i) En el anexo A se presenta una metodología para el equilibrado de tensiones cuando las piezas presentan notables flexiones en el régimen elástico. Concretamente, se introduce un factor de amortiguamiento artificial (damping), que garantiza una convergencia asintótica al estado final de tensiones. Se trata de una metodología complementaria al algoritmo implícito empleada para el mismo fin. ii) En el anexo B se detalla el código empleado en las subrutinas, tanto las secuencias de tratamiento implementadas como la definición de los modelos de material utilizados. iii) El anexo C contiene una descripción detallada sobre la implementación en Abaqus del modelo de endurecimiento anisotrópico. iv) El anexo D contiene un resumen de las principales técnicas para la medición de las tensiones residuales en los materiales [Porro10] y [Gil12]. v) El anexo E contiene una descripción de las instalaciones experimentales del CLUPM en el que se han desarrollado los procesos LSP utilizados en la validación del modelo desarrollado [Porro10].

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Item ID: 64520
DC Identifier: http://oa.upm.es/64520/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:64520
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64520
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 12 Nov 2020 09:26
Last Modified: 12 Nov 2020 09:26
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