MÉTODO PARA DETERMINAR EL ESFUERZO RESIDUAL DE UNA PIEZA DE ENSAYO.

Método para determinar el esfuerzo residual de una pieza de ensayo. Campo técnico La invención se refiere a un método para determinar el esfuerzo residual de una pieza de ensayo según un método de taladrado de agujeros en el que sobre una superficie de la pieza de ensayo, se realiza una retirada de material para generar un rebajo de material localmente delimitado y se detecta una forma superficial que cambia debido a la retirada de material y/o al estado de tensión de la superficie de la pieza de ensayo que cambia debido a la retirada de material, cuyo estado de tensión sirve para determinar el esfuerzo residual de la pieza de ensayo que tenía la pieza de ensayo en el estado anterior a la retirada de material. El término "esfuerzo residual" se ha de entender como esfuerzos mecánicos que están presentes en una pieza de trabajo o pieza de de ensayo sin una acción externa de fuerzas o momentos. Así, los esfuerzos residuales pueden introducirse en una pieza de trabajo en el curso del proceso de fabricación, por ejemplo durante procesos térmicos o mecánicos, de manera intencionada o inintencionada, por ejemplo durante tratamientos térmicos o en relación con pasos de producción tales como unión, soldadura, amolado, fresado o revestimiento. Asimismo, es posible que se generen esfuerzos residuales en una pieza de trabajo sólo o adicionalmente por demandas operacionales y así se contribuya a determinar el comportamiento operativo de los componentes. En la mayoría de los casos, los esfuerzos residuales influyen en el comportamiento de componentes de una manera negativa, por ejemplo por distorsión o fallo prematuro. Por otro lado, se usan cada vez más esfuerzos residuales de una manera beneficiosa, tal como, por ejemplo, introduciendo esfuerzos compresivos residuales dentro de una superficie mediante granallado, por ejemplo, para aumentar el comportamiento de fatiga de los componentes. Para una evaluación fiable del comportamiento operacional, la seguridad operacional y la vida útil de los componentes, así como para optimizar el disco y los métodos de fabricación, es inevitable, por tanto, la determinación de los esfuerzos residuales. En mecánica de materiales, se realiza una distinción entre tres clases de esfuerzos residuales: 1. Los esfuerzos residuales de la primera clase son virtualmente constantes con respecto a la cantidad y dirección en áreas de piezas de trabajo mayores, es decir, en una pluralidad de granos. Las desviaciones del equilibrio de fuerzas y momentos dan como resultado cambios y deformaciones dimensionales macroscópicas. 2. Los esfuerzos residuales de la segunda clase son virtualmente homogéneos en áreas de material más pequeñas, es decir, en un grano o en sub-áreas de un grano. Sólo son posibles deformaciones y cambios dimensionales macroscópicos en el caso de una alteración distinta del equilibrio. 3. Los esfuerzos residuales de la tercera clase son homogéneos en áreas de material extremadamente pequeñas, es decir, en algunas distancias interatómicas. No tienen lugar cambios macroscópicos. Los esfuerzos residuales de la primera clase también se denominan esfuerzos residuales macroscópicos, mientras que los esfuerzos residuales de la segunda clase y de la tercera clase se designan como esfuerzos residuales microscópicos. El método para determinar esfuerzos residuales que se describe aquí con detalle se usa típicamente en objetos o piezas de ensayo del campo de ingeniería de planta y mecánica para la determinación de esfuerzos residuales macroscópicos; sin embargo, usando otros medios auxiliares para incorporar el taladro y determinar las tensiones, el método también puede usarse para determinar esfuerzos residuales microscópicos en componentes microelectrónicos o micromecánicos de la tecnología de microsistemas. Pueden determinarse esfuerzos residuales con métodos diferentes. Se puede distinguir entre métodos no destructivos y destructivos. Con los métodos no destructivos, por ejemplo, las separaciones de los planos de una red cristalina sometida a esfuerzos residuales se miden mediante difractometría de rayos X o difracción de neutrones y se comparan con las separaciones de los planos de una red de un cristal sin esfuerzos residuales. A partir de esto, se puede evaluar el estado de los esfuerzos residuales y posiblemente también el curso de la profundidad de los esfuerzos residuales. Además, existen métodos destructivos, por ejemplo mediante la división, corte o taladrado de una pieza de ensayo. Mediante tales intervenciones en una pieza de ensayo, se provoca virtualmente un cambio del estado de esfuerzo residual. En el área circundante del rebajo o filo del material generado, debido al cambio en el estado de esfuerzo residual, tienen lugar deformaciones y/o cambios de tensión, cuyos efectos pueden observarse, por ejemplo, sobre la superficie de la pieza de ensayo como un cambio en la forma superficial y/o como un cambio del estado de tensión en la superficie. Las deformaciones que tienen lugar debido a dicha provocación, que también se denominan tensiones relajadas, permiten sacar una conclusión sobre el estado de esfuerzo residual presente antes de la provocación. Dos de los métodos más comunes para determinar el esfuerzo residual son el denominado método de taladrado de agujeros según ASTM E 837-99 (Sociedad Americana para Ensayos y Materiales) y el denominado método de taladrado de agujeros incremental, en donde con dichos métodos se taladra un agujero en la pieza de ensayo. Usualmente, por medio de una roseta extensométrica estandarizada aplicada sobre la superficie de la pieza de ensayo, los cambios de esfuerzo sobre la superficie se detectan simultáneamente en tres direcciones espaciales definidas y lateralmente con respecto a la superficie de la pieza de ensayo. Los métodos de taladrado de 2   agujeros a menudo se clasifican también como métodos semidestructivos porque la pieza de ensayo aún resulta utilizable tras la inspección. Las ventajas de los métodos de taladrado de agujeros son, entre otras, la movilidad y flexibilidad del dispositivo de ensayo. Pueden realizarse ensayos de laboratorio así como el ensayo de campo. Además, el método puede usarse en gran medida con independencia del tamaño y forma de la pieza de ensayo. En el caso del método de taladrado de agujeros según ASTM E 837-00, se taladra en un paso un agujero ciego de profundidad definida y perpendicular a la superficie de la pieza de ensayo. A partir de los cambios de esfuerzo y/o cambios de la forma superficial determinadas sobre la superficie, se determina con respecto a la profundidad del agujero ciego el esfuerzo residual medio que consiste en los componentes de esfuerzo residual medios presentes antes de la provocación. En contraposición a lo anterior, en el caso del método de taladrado de agujeros incremental, se determina el perfil de profundidad del esfuerzo residual, por ejemplo en forma de perfiles de profundidad de los componentes de esfuerzo residual. Para este fin, se taladra un taladro en pasos incrementales hasta una profundidad final y perpendicular a la superficie de la pieza de ensayo, en donde después de cada paso de taladrado se determina la relajación, es decir, los cambios de tensión sobre la superficie o los cambios de la forma superficial. Finalmente, la secuencia total de todos los pasos de taladrado realizados da como resultado un perfil discreto que consta de valores individuales de cambios de tensión de la superficie o de cambios de la forma de superficie en función de la profundidad de taladro, el denominado perfil de profundidad. A partir de los valores individuales discretos y mediante rutinas FIT adecuadas pueden proporcionarse las relaciones funcionales, por ejemplo entre cambios de tensión iniciados en la superficie y la profundidad del taladro. Con el fin de determinar el estado de esfuerzos residuales presentes antes de la provocación en el punto de medición o en la zona de medición de la pieza de ensayo, están disponibles una pluralidad de métodos o algoritmos de evaluación diferentes, por ejemplo la Norma ASTM E 837, Método Integral según Schajer [Schajer, G.S., Medición de Esfuerzos Residuales no Uniformes Usando el Método de Taladrado de Agujeros, Ingeniería de Materiales y Tecnología, 110 (4), Parte I: páginas 338-343, Parte II: páginas 344-349 , 1988], Método de Series de Potencias [SCHAJER, G.S., Aplicaciones de Cálculos del Método de Elementos Finitos a Mediciones de Esfuerzo Residual, Revista Ingeniería de Materiales y Tecnología, Trans ASME 103, abril 1981, páginas 157-163] o el método según Kockelmann (MPA Stuttgart) desarrollado adicionalmente por Schwarz [T. Schwarz, "Contribución a la determinación de tensiones propias en material estratificados isótropos e inhomogéneos por medio del método de taladrado de agujeros y el procedimiento de métodos anulares;... [Seguir leyendo]

1. Un método para determinar el esfuerzo residual de una pieza de ensayo según un método de taladrado de agujeros, en el que, sobre una superficie de la pieza de ensayo, se realiza una retirada de material para generar un rebajo de material localmente delimitado y se detecta una forma superficial que cambia debido a la retirada de material y/o un estado de tensión de la superficie de la pieza de ensayo que cambia debido a la retirada de material, sobre cuya base se determina un valor de esfuerzo residual que sirve para determinar el esfuerzo residual de la pieza de ensayo que tenía la pieza de ensayo en el estado anterior a la retirada de material, caracterizado porque se realizan al menos dos retiradas de material, cada una con la misma profundidad de retirada de material, los rebajos de material generados por las al menos dos retiradas de material se solapan lateralmente al menos de manera parcial con respecto a la superficie, después de cada retirada de material, se detectan la forma de superficie que ha cambiado en cada caso y/o el estado de tensión de la superficie que ha cambiado en cada caso y se determina un valor de esfuerzo residual en cada caso, y sobre la base de los al menos dos valores de esfuerzo residual determinados, se detectan el esfuerzo residual y un error que aqueja al esfuerzo residual con respecto a la profundidad de retirada de material. 2. El método según la reivindicación 1, caracterizado porque el esfuerzo residual y cada valor de esfuerzo residual están caracterizados por una pluralidad de componentes, preferiblemente por tres componentes. 3. El método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque por la al menos segunda retirada de material se expande un rebajo de material generado por la primera retirada de material. 4. El método según la reivindicación 3, caracterizado porque el rebajo de material se expande por retiradas de material concéntricas. 5. El método según la reivindicación 4, caracterizado porque el rebajo de material tiene un contorno redondo, en particular circular. 6. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la forma de superficie cambiante y/o el estado de tensión cambiante de la superficie se detectan de una manera sin contacto. 7. El método según la reivindicación 6, caracterizado porque la detección de la forma de superficie cambiante y/o el estado de tensión cambiante de la superficie se realiza por medio de métodos ópticos o electrodinámicos, en particular métodos de medición de corrientes parásitas. 8. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la forma de superficie cambiante y/o el estado de tensión cambiante de la superficie se detectan con uno o más sensores de tensión, en particular con uno o más calibres de tensión aplicados sobre la superficie de la pieza de ensayo, preferiblemente con una roseta extensométrica. 9. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque, para determinar el esfuerzo residual sobre la base de la forma de superficie cambiante y/o el estado de tensión cambiante de la superficie, se realiza una calibración. 10. El método según la reivindicación 9, caracterizado porque la calibración se realiza mediante ensayos de calibración en piezas de ensayos con un estado de esfuerzo residual conocido, en particular con consideración de una estrategia de retirada de material usada. 11. El método según la reivindicación 9, caracterizado porque la calibración se realiza por medio del método de elementos finitos, en particular con consideración de una estrategia de retirada de material usada. 12. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el método de taladrado de agujeros es un método de taladrado de agujeros incremental, porque el esfuerzo residual y el error con el que este último está aquejado se determinan para una pluralidad de profundidades de retirada de material, y porque se prepara un perfil de profundidad para el esfuerzo residual, en cuyo perfil se asignan errores dependientes de la profundidad a los esfuerzos residuales determinados dependientes de la profundidad. 7   Estrategia de taladrado número 1 Estrategia de taladrado número 2 8