defensa_tesis

Medicin de Esfuerzos Residuales en Probetas de Titanio Generados Mediante el Proceso de Impactos LserDefensa de Tesis. Presenta: Moiss Carrera Nez1 Director: Dr. Gilberto Gmez Rosas1 Codirector: Dr. Carlos Rubio Gonzlez21 Universidad 2 Centro

de Guadalajara

de Ingeniera y Desarrollo Industrial

23 de Abril de 2010Moiss Carrera Nez (CUCEI - U. de G.) Tratamiento de Materiales con Lser Defensa de Tesis, 2010 1 / 24

Descripcin

Descripcin1

Introduccin Esfuerzos residuales Tratamiento de materiales por impactos lser (Laser Shock Processing, LSP) Determinacin experimental de esfuerzos residuales: Mtodo del agujero ciego (hole-drilling) Perforacin de una placa delgada Tcnica del esfuerzo promedio Mtodo Integral Resultados Concluciones

2

3 4

Moiss Carrera Nez (CUCEI - U. de G.)

Tratamiento de Materiales con Lser

Defensa de Tesis, 2010

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Introduccin

Esfuerzos residuales

IntroduccinEsfuerzos residuales

Esfuerzos residuales Los esfuerzos residuales son aquellos esfuerzos que existen en un cuerpo slido (metales o no metales) sin la aplicacin de una fuerza externa o cualquier otra fuente de carga, como gradientes trmicos, gravedad, etc. Clasicacin:

I I I I I I




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Introduccin




I I I I I I




3 / 24

Introduccin




I I I I I I




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Introduccin




I I I I I I




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Introduccin




I I I I I I




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Introduccin

Laser Shock Processing (LSP)

IntroduccinTratamiento de materiales por impactos lser (Laser Shock Processing, LSP)

Mejora las propiedades mecnicas de los materiales metlicos. Se basa en la generacin de un campo de esfuerzos residuales de compresin cerca de la supercie del material.




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Introduccin



Mejora las propiedades mecnicas de los materiales metlicos. Se basa en la generacin de un campo de esfuerzos residuales de compresin cerca de la supercie del material.




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Introduccin



Plasma generado por lser Conservacin de la energa:I (t ) = P (t ) 3 d dL(t ) + [P (t )L(t )] dt 2 dt

Abertura de la interfase:dL(t ) 1 1 = + P (t ) dt Z1 Z2

dX(t ) = dt

L(t ) P (t )

2[P (t )]2 3 = I (t ) 1+ Z 2 3 L(t ) 2

2 P (t ) Z




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Introduccin



Los esfuerzos residuales generados por LSP se deben a la deformacin plstica del material debida a las ondas de choque generadas por los impactos lser.P 0 0 0 2 > PH = 0 0 0 P = 0 0 0 0

0 P 2 0

0 0 P

x res = 0 0

0 y 0

0 0 0Tratamiento de Materiales con Lser Defensa de Tesis, 2010 6 / 24


Mtodo hole-drilling

Mtodo hole-drillingEl mtodo hole-drilling para la determinacin experimental de esfuerzos residuales es un mtodo mecnico semi-destructivo: Basado en la medicin de las deformaciones causada despus de la remocin deliberada del material residualmente estresado. Con esas deformaciones relajadas el estado de esfuerzo del material anteriormente removido puede ser calculado utilizando la teora de la elasticidad. Las deformaciones, o elongaciones unitarias, de una supercie son comnmente medidas por medio de una resistencia elctrica llamada galga de deformacin.Roseta de galgas de deformacin

Agujero taladrado




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Mtodo hole-drilling

Perforacin de una placa delgada

Mtodo hole-drillingPerforacin de una placa delgada

x

Z R Y X

P(R,) r

Si en la Figura se considera que el esfuerzo residual uniaxial est siendo aplicado en el eje Y en lugar del eje X :r = y (A B cos 2)y

x

Por el principio de superposicin:r = A x + y + + B x y cos 2

La deformacin radial y tangencial son:r = x (A + B cos 2) = x (A +C cos 2)




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Mtodo hole-drilling



x R0 Y

Z R X

P(R,) r


x






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Mtodo hole-drilling



x R0 Y y

Z R X

y P(R,) r


x






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Mtodo hole-drilling



x R0 Y y

Z R X

y P(R,) r


x






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Mtodo hole-drilling



x R0 Y y

Z R X

y P(R,) r


x






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Mtodo hole-drilling



x R0 Y y

Z R X

y P(R,) r


x






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Mtodo hole-drilling



Agujero ciego En la mayora de las aplicaciones prcticas del mtodo hole-drilling, el agujero taladrado es aproximadamente igual a su dimetro, y pequeo comparado con el espesor del objeto de prueba, a un agujero con estas caractersticas se le denomina agujero ciego.r = A x + y + B x y cos 2

En donde:A = f A (E , , r, Z /D) B = f B (E , , r, Z /D) r = D 0 /D .Moiss Carrera Nez (CUCEI - U. de G.) Tratamiento de Materiales con Lser

D D0 Z

Galga


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Mtodo hole-drilling

Tcnica del esfuerzo promedio

Mtodo hole-drillingTcnica del esfuerzo promedio

r = A x + y + B x y cos 2 mx = mn = 1 + 3 1 4A 4B 1 + 3 1 + 4A 4B (3 1 )2 + (3 + 1 22 )2 (3 1 )2 + (3 + 1 22 )2

+ 1 y45 1 2b 45

1 22 + 3 tan 2 = 3 1

En donde A= 1+ a 2E

R0

3

R

x

y

B =

1 b 2E

2a




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Mtodo hole-drilling

Tcnica del esfuerzo promedio

Mtodo hole-drillingTcnica del esfuerzo promedio

r = A x + y + B x y cos 2 mx = mn = 1 + 3 1 4A 4B 1 + 3 1 + 4A 4B (3 1 )2 + (3 + 1 22 )2 (3 1 )2 + (3 + 1 22 )2

+ 1 y45 1 2b 45

1 22 + 3 tan 2 = 3 1

En donde A= 1+ a 2E

R0

3

R

x

y

B =

1 b 2E

2a




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Mtodo hole-drilling

Mtodo Integral

Mtodo hole-drillingMtodo Integral

Campo de esfuerzos residuales: Uniforme

y

No-uniforme

y

x ypj qj tj = = = (3 + 1 ) j 2 (3 1 ) j 2 (3 + 1 22 ) j 2Tratamiento de Materiales con Lser

D0 D

x (x)k

x

(y)k aT a + P cT c P =

E T a p 1+ bT b + Q cT c Q = E bT q bT b + T cT c T = E bT tDefensa de Tesis, 2010 11 / 24


Mtodo hole-drilling

Mtodo Integral


Campo de esfuerzos residuales: UniformeD0 D

No-uniforme

y

x (x)k

(y)kpj qj tj = = = (3 + 1 ) j 2 (3 1 ) j 2 (3 + 1 22 ) j 2Tratamiento de Materiales con Lser

E T a p 1+ bT b + Q cT c Q = E bT q aT a + P cT c P = bT b + T cT c T = E bT tDefensa de Tesis, 2010 11 / 24


Mtodo hole-drilling

Mtodo Integral


Campo de esfuerzos residuales: UniformeD0 D

No-uniforme

y

x (x)k

(y)kpj qj tj = = = (3 + 1 ) j 2 (3 1 ) j 2 (3 + 1 22 ) j 2Tratamiento de Materiales con Lser

E T a p 1+ bT b + Q cT c Q = E bT q aT a + P cT c P = bT b + T cT c T = E bT tDefensa de Tesis, 2010 11 / 24


Mtodo hole-drilling

Mtodo Integral


yD0 D

(mx )k

= Pk +

2 2 Q k + Tk

x (x)k

(mn )k k

= Pk

2 2 Q k + Tk

(y)k

=

1 Tk arctan 2 Q k




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Resultados

ResultadosArreglo experimental LSP

Sistema de posicionamiento Lser Espejo Blanco Lente Chorro de agua




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Parmetros del LSP Energa por pulso (J/pulso) Dimetro del spot focal (mm) Medio connante Recubrimiento de la supercie Ancho de pulso (ns) Frecuencia de emisin lser (Hz) Densidad de potencia (GW/cm2 )

1064 nm 2.5 1.5 Chorro de agua No 10 10 14.15

532 nm 1.4 1.5 Chorro de Agua No 10 10 7.92

Resultados

Resultados

Presin del plasma generador por lserPresin del plasma (GPa) Presin del plasma (GPa) 7 6 5 4 3 2 1 0 10 20 30 40 Tiempo (ns) 50 60 = 532 nm

7 6 5 4 3 2 1 0 10 20 30 40 50 60 = 1064 nm

Tiempo (ns)




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Resultados

ResultadosTcnica del esfuerzo promedio

Ti-6Al-4V, =532 nm, 1.4 J/pulso, =1.5 mm. 2500 pulsos/cm2300 200 Esfuerzo residual (MPa) 100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Profundidad (mm) 1 300 200 Esfuerzo residual (MPa) 100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Profundidad (mm) 1mx

5000 pulsos/cm2mx

mn

mn




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Resultados

ResultadosTcnica del esfuerzo promedio

Ti-6Al-4V, =1064 nm, 2.5 J/pulso, =1.5 mm. 2500 pulsos/cm2300 200 Esfuerzo residual (MPa) 100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Profundidad (mm) 1 300 200 Esfuerzo residual (MPa) 100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Profundidad (mm) 1mx

5000 pulsos/cm2mx

mn

mn




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Resultados

ResultadosMtodo integral

Ti-6Al-4V, =532 nm, 1.4 J/pulso, =1.5 mm. 2500 pulsos/cm2400 300 200 mx mn

5000 pulsos/cm2400 300 200 mx mn

Esfuerzo residual (MPa)

100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1


100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Profundidad (mm)

Profundidad (mm)




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Resultados

ResultadosMtodo integral

Ti-6Al-4V, =1064 nm, 2.5 J/pulso, =1.5 mm. 2500 pulsos/cm2400 300 200 mx mn

5000 pulsos/cm2400 300 200 mx mn


100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1


100 0 100 200 300 400 500 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Profundidad (mm)

Profundidad (mm)




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Concluciones

Concluciones

En cuanto a las tcnicas de anlisis de datos: Es necesario determinar si el campo de esfuerzos residuales bajo estudio es uniforme o no-uniforme, y as aplicar la tcnica de anlisis de datos adecuada. La tcnica del esfuerzo promedio si el campo de esfuerzos residuales es uniforme, y, el mtodo integral si el campo de esfuerzos residuales es no-uniforme. En las pruebas realizadas en esta tesis los resultados ms aceptables estn dados por el mtodo integral, por que, se determin que el campo de esfuerzos residuales generados en las probetas de Ti-6Al-4V mediante la tcnica LSP es no-uniforme.




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Concluciones

Concluciones

En cuanto a las tcnicas de anlisis de datos: Es necesario determinar si el campo de esfuerzos residuales bajo estudio es uniforme o no-uniforme, y as aplicar la tcnica de anlisis de datos adecuada. La tcnica del esfuerzo promedio si el campo de esfuerzos residuales es uniforme, y, el mtodo integral si el campo de esfuerzos residuales es no-uniforme. En las pruebas realizadas en esta tesis los resultados ms aceptables estn dados por el mtodo integral, por que, se determin que el campo de esfuerzos residuales generados en las probetas de Ti-6Al-4V mediante la tcnica LSP es no-uniforme.




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Concluciones

ConclucionesDel tratamiento en verde (532 nm) a 1.4 J/pulso con densidades de 2500 y 5000 pulsos/cm2 se concluye: La presin del plasma resulta ser de magnitud suciente para generar esfuerzos residuales. El tratamiento a 2500 pulsos/cm2 , no es viable para la generacin de esfuerzos residuales de compresin. Para el tratamiento a 5000 pulsos/cm2 , tanto con la tcnica del esfuerzo promedio como con el mtodo integral, se observ una mejora del 11% en los resultados con respecto al tratamiento con 2500 pulsos/cm2 . La mxima compresin fue de 300.65 MPa y se obtuvo con el mtodo integral.




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Concluciones





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Concluciones





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Concluciones

ConclucionesDel tratamiento en infrarrojo (1064 nm) a 2.5 J/pulso con densidades de 2500 y 5000 pulsos/cm2 : La presin mxima alcanzada por el plasma se increment en 38% con respecto a la irradiacin con lser a 532 nm y 1.4 J/pulso, para estabilizarse en 1.2 GPa. Para 2500 pulsos/cm2 se predice un esfuerzo residual de compresin de 100 MPa en la supercie y un esfuerzo residual de compresin mxima de 308.77 MPa (ambos resultados calculado con el mtodo integral). El tratamiento a 5000 pulsos/cm2 ofrece los mejores resultados en cuanto a generacin de esfuerzos residuales de compresin en la supercie y profundidad de afectacin de los mismos se reere. El esfuerzo residual de mxima compresin fue de 400 MPa justo en la supercie del material (calculado con el mtodo integral), este es un resultado deseado tanto para propsitos de investigacin como para aplicaciones en la industria.Moiss Carrera Nez (CUCEI - U. de G.) Tratamiento de Materiales con Lser Defensa de Tesis, 2010 23 / 24

Concluciones


Concluciones


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