¿Qué son las Tensiones Residuales?
Las Tensiones Residuales (TR) son tensiones que permanecen en los materiales o componentes en ausencia de cargas externas. Pueden originarse en diversos procesos de fabricación y condiciones de servicio que den lugar a deformaciones no uniformes, como pueden ser el conformado en frío (laminación o trefilado, en el caso concreto de materiales metálicos) ó tratamientos superficiales (“shot peening”), soldaduras…
¿Por qué es importante conocer su valor?
A la hora de realizar el diseño de cualquier estructura o componente, es necesario tener en cuenta el valor de la tensión total a la que va a estar sometido el material durante su vida en servicio. Esta tensión tiene a su vez dos contribuciones: la tensión aplicada (aquella que se calcula según lo diseñado en el proyecto que se esté llevando a cabo) y la tensión residual, que se encuentra dentro del material en ausencia de cargas externas. En el caso de no tener en cuenta este valor, existe la posibilidad de que se produzcan fallos inesperados en condiciones normales de servicio. Estos fenómenos son de especial importancia en componentes y estructuras de alto riesgo en las que pueden producirse roturas frágiles, o bien fenómenos de fisuración subcrítica, tales como fatiga y corrosión bajo tensión.
Uno de los ejemplos en los que es crítica la medida de tensiones residuales es el caso de los materiales diseñados para trabajar sometidos a cargas cíclicas. En ciertos componentes, como pueden ser engranajes o ejes de transmisión, se dota al material de tensiones residuales de compresión mediante tratamientos superficiales para alargar su vida a fatiga.
Otro caso que podríamos encontrar de gran importancia es el de los alambres de acero. Durante el proceso de laminación en frío se produce una distribución de la tensión a lo largo de la sección transversal de los alambres, obteniendo zonas sometidas a tracción y zonas a compresión.
Si el proceso de trefilado no se lleva a cabo correctamente, las tensiones residuales que se generan en el material podrían estar por encima de su rango de trabajo arriesgando su integridad durante el servicio, por lo que es muy importante conocer su valor.
¿Cómo se miden las tensiones residuales?
Las tensiones residuales se calculan a partir de las deformaciones residuales, que pueden medirse mediante métodos destructivos y no destructivos.
En los métodos destructivos se miden las deformaciones que se producen al relajarse el material (después de realizar un taladro o un corte, por ejemplo).
Por el contrario, en los métodos no destructivos no se altera el material, de tal manera que el componente puede volver a ser utilizado después de los ensayos. Entre los métodos no destructivos, el más empleado es la difracción de rayos X. Esta técnica es la que emplea nuestro laboratorio para llevar a cabo sus ensayos.
Difracción de rayos X
La difracción de rayos X es un fenómeno físico que aparece en la interacción de un haz de rayos X con la materia cristalina.
Dependiendo de la longitud de onda del haz de rayos X, para determinados planos cristalográficos se produce una dispersión coherente del haz de rayos X, así como una interferencia constructiva de las ondas que están en fase debido a la difracción en distintos planos cristalográficos. De esta manera, se produce una dispersión del haz en ciertas direcciones del espacio.
Mediante la Ley de Bragg se puede describir este fenómeno, en donde se relaciona la distancia interplanar de aquellas familias de planos en los que se produce la difracción con la dirección del espacio en la que se da la interferencia constructiva.
n λ = 2 d sen θ
Medida de tensiones residuales
Cuando un material se encuentra en un estado libre de tensiones, es decir, que no hay ningún tipo de tensión actuando sobre su estructura, la distancia entre los planos cristalográficos no se encuentra alterada y posee un valor constante conocido.
Sin embargo, cuando esta estructura cristalina se modifica mediante la aplicación de una tensión (ya sea debido a cargas externas o a tensiones residuales intrínsecas en el material) la distancia interplanar cambia y, por tanto, varía a su vez la dirección en la que se produce la difracción.
Mediante un difractómetro es posible medir esta dirección y, dado que se conoce el material que se está analizando, conocer las variaciones en la distancia interplanar, las cuales dan lugar a una deformación en los granos cristalinos del material. A través de la Ley de Hooke es posible relacionar esta deformación con los valores de tensión que están actuando sobre el material.
