El sistema MTS3000: determinación de tensiones residuales por el método de taladro incremental

El comportamiento de resistencia de los componentes se ve influido por sus tensiones residuales, que no muestran signos exteriores visibles. Por lo tanto, para evaluar la resistencia de un componente es importante determinar las tensiones mecánicas que le afectan. Las tensiones residuales pueden determinarse mediante el método de taladro, que consiste en realizar un pequeño orificio de 1,6 mm de diámetro en la pieza y medir la deformación resultante con ayuda de galgas extensométricas.

SINT Technology ofrece su sistema MTS3000, que trabaja de forma combinada con un amplificador QuantumX. Estos dos elementos permiten efectuar el proceso de manera sencilla. El sistema utiliza un motor paso a paso capaz de perforar a 350.000 rpm. Las variaciones en la deformación que se producen a causa de la perforación gradual de la pieza se detectan por medio de rosetas de galgas extensométricas específicamente diseñadas para este proceso.

El procesamiento de la señal se lleva a cabo de forma digital. Además de las funciones de control del sistema, el paquete de software ofrece cuatro algoritmos de evaluación distintos que permiten calcular las tensiones mecánicas a partir de la deformación medida. Todo el proceso de medida se controla desde un PC, garantizando un alto grado de fiabilidad de medida y una reproducibilidad óptima.

Ver el vídeo del MTS3000:

Método de retrocálculo

El software de reprocesamiento permite calcular las tensiones residuales del material a partir de las deformaciones medidas.

La elección del método de retrocálculo es muy importante para obtener una representación lo más fiel posible del estado de tensión real. Son muchos los investigadores que han contribuido —y siguen haciéndolo— a la abundante literatura que describe el método de taladro.

Actualmente, el software de reprocesamiento soporta cuatro métodos de retrocálculo: el método de tensiones uniformes según la norma ASTM E837-13, el método no uniforme según ASTM E837-01, el método Schwarz-Kockelmann y el método integral.

Método de tensiones uniformes [norma ASTM E 837-01]

Este método se describe en la norma ASTM E 837-01 y se basa en el supuesto de que las tensiones no varían con la distancia respecto a la superficie de la muestra. Por esta razón, el método no considera la resolución espacial. Sin embargo, cuando las tensiones residuales que se miden describen un campo de tensión aproximadamente uniforme, es el mejor método, porque es el menos sensible a los efectos de los errores experimentales.

Igualmente, proporciona una estimación rápida del nivel de tensión residual promedio de la muestra. Por todo ello, este tipo de cálculo se utiliza y acepta de forma universal.

Método de tensiones no uniformes [norma ASTM E 837-13]

Este método, que se describe en la norma ASTM E 837-13, introduce el cálculo de tensiones no uniformes. La norma define los pasos de cálculo y la profundidad del taladro. Para el proceso de cálculo se emplea el método integral (ver más abajo) con regularización de Tikhonov para reducir los errores aleatorios en las tensiones calculadas.

La ASTM E 837-13 es la única norma completa sobre tensiones residuales que existe a escala mundial.

Método de Schwarz-Kockelmann

El método de Kockelmann se basa en la teoría de que existe una función de correlación entre la derivada de la deformación y la distribución de tensiones, que se expresa como una función de la profundidad del taladro. La dependencia viene dada por un par de coeficientes (Kx y Ky), que se calculan a partir de un modelo de simulación que relaciona la tensión con la deformación.

A partir de estos valores de deformación es posible calcular las tensiones principales y sus ángulos utilizando el círculo de Mohr.

Método integral

Este método, propuesto por G. S. Schajer, proporciona un análisis de la tensión residual independiente para cada incremento en la profundidad del taladro. En este método, se tienen en cuenta simultáneamente las contribuciones a la relajación de las tensiones (medidas a través de la deformación) a todas las profundidades. De este modo, se obtiene una resolución espacial superior a la de los demás métodos.

Para simplificar el problema de la evaluación de la tensión residual, Schajer propuso que el campo de tensiones puede describirse mediante funciones incrementales cuyo valor es constante a lo largo de la profundidad de los taladros parciales. Con esta hipótesis, Schajer estableció los coeficientes numéricos que se emplean en los cálculos. Este método es utilizable hasta una profundidad máxima equivalente a 0,5 veces el radio medio de la roseta de galgas que se utiliza para el ensayo.

El método integral debe utilizarse cuando se espera que las tensiones residuales varíen significativamente con la profundidad. Sin embargo, también es el más sensible a los errores experimentales.


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