Desarrollo de técnicas para la caracterización predictiva en el proceso para la inducción de campos de tensiones residuales en materiales metálicos mediante ondas de choque generadas por láser

Abstract

En el presente proyecto se propone el desarrollo, justificación y comprobación de una metodología completa, robusta y extrapolable para la caracterización predictiva del tratamiento de materiales metálicos (aceros y aleaciones metálicas) por medio de la introducción de campos de tensiones residuales compresivas como resultado de la aplicación de ondas de presión generadas por láser, enteramente por ordenador.
Este proceso, conocido como Laser Shock Processing (LSP), es ampliamente utilizado en la industria (principal, pero no exclusivamente, en el sector aeroespacial) como método de refuerzo de las propiedades mecánicas del material ante las solicitaciones que las piezas de responsabilidad (ejes, árboles de transmisión, placas, etc.) experimentan en servicio, aportando una mejora significativa en su comportamiento a fatiga (en la que se enfocará este proyecto), resistencia al desgaste y a la corrosión.
Centrándose en el estudio completo comparativo (antes y después del tratamiento) del comportamiento a fatiga de una pieza (representada en el proyecto por medio de la probeta C(T) (Compact Tension specimen, normalizada y habitualmente empleada en ensayos de fatiga), desde las condiciones de inicio de la grieta, pasando por su propagación estable e inestable hasta la rotura; que pretende demostrar la efectividad del tratamiento LSP como método de mejora de las propiedades relacionadas (factor de intensidad de tensiones, vida a fatiga, etc.). Todo ello según el modo I de fractura: apertura/desgarro (aplicación de sendas cargas a un lado y otro de la entalla para separar físicamente las dos mitades de la misma).
Este estudio será llevado a cabo en estricta observancia de las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) pertinentes, y con atención especial a la optimización del mallado en los programas de elementos finitos empleados a este propósito (Abaqus CAE™, fe-safe™), a fin de asegurar que la potencia de cómputo ofrecida por el ordenador del departamento asignado es aprovechada de forma eficiente, no incurriendo en costes energéticos superfluos que puedan afectar negativamente al medio ambiente.
Para predecir la evolución del factor de concentración de tensiones, KI, que, en última instancia, y de acuerdo con la teoría de la mecánica de fractura lineal-elástica (LEFM), es la variable que determina la rotura de la pieza (cuando KI alcanza el valor de la tenacidad a la fractura del material, KIc); se empleará el método VCCT (Virtual Crack Closure Technique), comprobando su correspondencia o no con las fórmulas provistas por la(s) norma(s) ASTM.
Este análisis se realizará de forma preliminar para dos estrategias prediseñadas y comunes en la aplicación del tratamiento, según la dirección de avance del spot láser: longitudinal (avance según la dirección de crecimiento de la grieta) y transversal (avance según la dirección perpendicular a la de crecimiento de la grieta).
Dado que el tratamiento LSP se considera eminentemente de tipo mecánico, y su afectación térmica es despreciable debido al mínimo tiempo de deposición, se aprovecha este hecho para introducir las tensiones residuales compresivas inducidas por dicho tratamiento sobre la pieza, a modo de tensiones generadas por expansión térmica, y siguiendo el método de las autotensiones (eigenstresses).
Comprobado el limitado margen de mejora provocado por los tratamientos habituales (debido, principalmente, a las avanzadas longitudes de grieta), se plantea una nueva estrategia de diseño, específica y optimizada para grietas pequeñas, que arroja mucho mejores resultados y, al mismo tiempo, sirve como base para posteriores estudios.
Así, quedarían completamente descritos el proceso y la metodología a seguir para la elaboración del estudio a fatiga de la pieza en aras de ver mejoradas sus prestaciones mediante el diseño ad hoc de estrategias de tratamiento mediante LSP, creando por tanto un lazo de realimentación iterativa cuyas entradas (o salidas, dependiendo del caso) son las tensiones de servicio del material y las que es necesario inducir mediante LSP para paliarlas. Dicho sistema permite el estudio metódico y optimizado para cada caso, en base a las observaciones realizadas y lecciones aprendidas a partir de la experiencia con la probeta C(T).

Códigos UNESCO: 120613 Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, 331209 Resistencia de materiales, 331212 Ensayo de materiales, 330707 Dispositivos láser, 220910 Láseres, 220106 Ondas de choque, 220206 Radiación infrarroja, visible y ultravioleta, 220410 Física del plasma, 220407 Ionización, 221121 Metalurgia, 331003 Procesos industriales, 220509 Mecánica de sólidos