tratamiento superficial con láser para mejorar la integridad de componentes mecánicos

Tratamiento superficial con láser para mejorar la integridad de componentes mecánicos

Especialidad: Mecánica, Subespecialidad: Mecánica de Materiales,

Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Manufactura y Servicios, Energía y Sustentabilidad

,1

Guía para documentar el Trabajo de Ingreso

TRATAMIENTO SUPERFICIAL CON LÁSER

PARA MEJORAR LA INTEGRIDAD DE

COMPONENTES MECÁNICOS

Especialidad: Mecánica

Subespecialidad: Mecánica de Materiales

Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Manufactura y Servicios,

Energía y Sustentabilidad

Carlos Rubio González

Doctorado en Ingeniería

Mayo de 2016 Querétaro Qro.




,2

Contenido

Resumen ejecutivo 3

1. Introducción 5

2. Fractura y fatiga de materiales 9

3. Efecto del LSP en materiales metálicos 15

4. Efecto del LSP en componentes con concentradores de

esfuerzos

33

5. Conclusiones 44

Referencias 45




,3

RESUMEN EJECUTIVO

Las máquinas, vehículos, aviones y estructuras normalmente trabajan bajo la acción de

cargas cíclicas que originan daño por fatiga. La fractura de materiales ocasionada por fatiga

se considera como la principal causa de falla de componentes mecánicos. Un análisis

estimó que el costo por fractura en los Estados Unidos fue de $119,000 millones de dólares,

cerca del 4% del PIB [Anderson, 2005].

Existen algunas técnicas que modifican la superficie de componentes para resistir la

propagación de grietas, tales como, el shot peening (perdigonado) y más recientemente el

tratamiento superficial con láser (Laser Shock Peening, LSP). Estas técnicas tienen en

común la introducción de barreras microestructurales con la finalidad de incrementar la

vida por fatiga. El LSP es una técnica nueva y prometedora de tratamiento superficial, ha

demostrado ser eficaz en mejorar las propiedades de fatiga de un número de materiales.

Consiste en la aplicación de pulsos láser de alta energía y corta duración sobre la superficie

a tratar. Las ondas de choque generadas por el plasma inducen deformaciones plásticas y

finalmente esfuerzos residuales de compresión en la superficie y la sub-superficie;

mejorando con ello las propiedades a la fractura, fatiga y desgaste de los componentes.

Los efectos benéficos del LSP en el mejoramiento de la integridad estructural de

componentes mecánicos de diversos materiales han sido investigados por el autor y su

grupo. En seguida se presenta un recuento de los resultados más relevantes.

Abstract

Machines, vehicles, aircraft and structures normally work under cyclic loading which

causes fatigue damage. Materials fracture caused by fatigue, is considered as the main

cause of failure of mechanical components. An analysis estimated that the cost per fracture

in the United States was $ 119.000 million, about 4% of GDP [Anderson, 2005].

There are some techniques that modify the surface of components to withstand crack

propagation, such as shot peening and more recently Laser Shock Peening (LSP). These

techniques have in common, introducing microstructural barriers in order to increase

fatigue life. The LSP is a promising new surface treatment technique that has proven to be

effective in improving fatigue properties of a number of materials. It involves the

application of high-energy laser pulses of short duration on the surface to be treated. The

shock waves generated by the plasma induce plastic deformation and finally residual

compressive stresses on the surface and sub-surface; thereby improving fracture, fatigue

and wear properties of the component.

The beneficial effects of LSP in improving the structural integrity of mechanical

components of various materials have been investigated by the author and his group. The

most relevant results are presented next.




,4

Palabras clave: Tratamiento superficial con láser, fatiga y fractura de componentes,

esfuerzos residuales

Objetivo

El objetivo de este trabajo es examinar el efecto del LSP sobre el comportamiento a la

fatiga, fractura y desgaste de muestras de diferentes aleaciones metálicas. Se consideran

especímenes de aluminio, acero al carbono y acero inoxidables. Se demuestra la viabilidad

del LSP en mejorar la integridad estructural de componentes mecánicos.

Alcance

Se investiga el efecto del LSP en la razón de crecimiento de grietas por fatiga, resistencia a

la fractura, resistencia al desgaste, micro-dureza y esfuerzos residuales con diferentes

densidades de pulsos y longitudes de onda del láser. Se evalúa la relajación del campo de

esfuerzos residuales ante carga cíclica y alta temperatura. Se incluye una simulación por

elemento finito del proceso y un análisis de fatiga para estimar la vida de los componentes

una vez tratados con LSP.




,5

1. INTRODUCCIÓN.

Los principales tipos de falla de componentes en ingeniería son: la deformación y la

fractura. Las máquinas, vehículos, aviones y estructuras normalmente trabajan bajo la

acción de cargas cíclicas. La fractura de materiales ocasionada por fatiga, se considera

como la principal causa de falla de componentes mecánicos dentro de los dos sectores

económicamente más importantes: automotriz y aeroespacial. Un análisis estimó que el

costo por fractura en los Estados Unidos fue de $119,000 millones de dólares, cerca del 4%

del PIB. Adicionalmente se estimó que el costo anual pudo haberse reducido en $35,000

millones de dólares si la tecnología de aquel entonces hubiera sido aplicada.

La Figura 1 muestra un caso muy conocido de la falla en un avión de una aerolínea

comercial ocurrida en 1988. El avión tuvo 89,680 ciclos de vuelo (despegues y aterrizajes)

lo cual acumuló un daño severo en el fuselaje debido a los ciclos de presurización. La falla

por fatiga se inició en los agujeros que alojan remaches, pudo haberse evitado con

inspecciones más frecuente. La Figura 2 muestra otro ejemplo de falla catastrófica ocurrida

en un buque tanque en 20012 originada por la fractura de materiales.

Figura 1. Falla en el fuselaje de un avión comercial ocurrida en 1988. La falla se originó por fatiga del material

[http://aviationaccidents1.blogspot.com/2011/04/aloha-airlines-flight-243-cabrio.html].

La resistencia a la fatiga de un material metálico está influenciada por la resistencia al

crecimiento de grieta que ofrecen los granos o límites de grano. Por lo que la resistencia a

la fatiga de un componente puede incrementarse si el inicio o la propagación prematura de

una grieta se retrasa o se detiene de alguna manera.

Existen algunas técnicas que modifican la superficie de componentes para resistir la

propagación de grietas, tales como, rolado en frío o en caliente, el tradicional shot peening

(perdigonado) y más recientemente el tratamiento superficial con láser (Laser Shock

Peening, LSP). Todos estos tienen un común denominador, la introducción de barreras

microestructurales, desde la superficie hacia dentro del material, con la finalidad de

incrementar la vida por fatiga.




,6

Entre las barreras que se introducen en el material, se encuentra la inducción de un campo

de esfuerzos residuales compresivos, el cual es el mecanismo principal que influye

significativamente en el retardo del crecimiento de grietas por fatiga de materiales

metálicos. Sin embargo, el endurecimiento por deformación y la generación de una

distorsión en la microestructura tanto en la superficie como capas internas contribuyen

también a la disminución en la velocidad de dicho crecimiento [Madrigal 2008, Dowling

2007].

Figura 2. Buque tanque Prestige undido en 2002

1.1 Generalidades del LSP

El tratamiento superficial con láser (por sus siglas en inglés LSP, Laser Shock Processing)

es una técnica nueva y prometedora de tratamiento superficial, ha demostrado ser eficaz en

la mejora de las propiedades de fatiga de un número de materiales y aleaciones [Peyre

1995, Hatamleh 2007, 2009]. Las aplicaciones potenciales son dirigidas a la industria

aeroespacial y automotriz. Se han demostrado los efectos benéficos del LSP en, fatiga,

fatiga por fricción y resistencia a corrosión por tensión de aleaciones de aluminio, aceros y

aleaciones base níquel. Como el haz láser puede dirigirse fácilmente a las zonas de fatiga

crítica sin enmascaramiento, se espera que la tecnología LSP sea ampliamente aplicable

para la mejora de las propiedades de fatiga de los metales y aleaciones, en particular los que

muestran una respuesta positiva a un granallado.

Mientras que la técnica de LSP emplea un haz de láser para incidir sobre el área a tratar, el

tratamiento de Shot Peening (SP) es un impacto con esferas sólidas y rígidas sobre la

superficie a tratar, dichas esferas tienen características acordes al material a tratar e inciden

sobre la superficie a un ángulo determinado.

El LSP ofrece ciertas ventajas:

El LSP presenta mejor acabado superficial que el SP. En aceros inoxidables, el LSP ha

reducido el caso de transformación de fase, al inducir menos deformación comparada

con SP. De ese modo deja un acabado superficial más resistente al ataque corrosivo

[Rankin 2003].




,7

Mientras el LSP y el SP inducen esfuerzos de magnitud similar, los esfuerzos residuales

a compresión se hacen más grandes y tienen mayor penetración desde la superficie con

el LSP. De esta manera ofrecen un mejoramiento a la resistencia al crecimiento de

grietas macroscópicas cerca de la superficie. Este par de características, conducen hacia

un mejoramiento significativo en la vida a la fatiga.

En el tratamiento con LSP en metales la muestra o bien se sumerge completamente en agua

o en aire. El pulso láser se enfoca entonces sobre la muestra. El principio de operación de la

técnica LSP se ilustra esquemáticamente en la Figura 2. Cuando el haz láser se dirige sobre

la superficie a tratar, pasa a través de la cubierta transparente y golpea la muestra.

Inmediatamente se vaporiza una capa superficial delgada de la muestra. La alta presión

contra la superficie de la muestra provoca una onda de choque que se propagar en el

material. La deformación plástica provocada por la onda de choque produce los esfuerzos

residuales de compresión en la superficie de la muestra. El pulso láser puede venir

directamente del dispositivo láser o se puede dirigir usando una fibra óptica.

Figura 3. Principio del Laser Shock Processing

En una configuración de laboratorio típica de LSP se utiliza un láser Q switched Nd: YAG

que operan a 10 Hz con una longitud de onda de 1064 nm y FWHM de los pulsos fue 8 ns.

Una lente convergente se emplea para entregar 1.2 J. El diámetro del haz es de 1.5 mm.

Algunas densidades de pulsos típicas son 900, 1350 y 2500 pulsos / cm2. Un sistema de

movimiento 2D se utiliza para controlar la posición de la muestra y generar el barrido.

Controlando la velocidad del sistema se obtiene la densidad de impulsos deseada. Se han

empleado diferentes longitudes de onda del láser [Gómez-Rosas 2010, Castañeda 2015], así

como recubrimientos para proteger la superficie a tratar [Rubio-González 2006]. La figura

4 muestra un arreglo de laboratorio típico de LSP.

Pulso

Laser

Lente

Muestra

Agua

Plasma Onda de

choque

Dirección

de barrido




,8

Figura 4. Arreglo experimental para tratamiento superficial con láser en laboratorio

Láser Nd:YAG

Pulsado Emisión a

1064 nm y 532 nm.

Disipador de

Energía

Espejos

Contenedor diámetro

del haz

1cm

Lente convergente

f =20cm

Láser He-Ne

indicador

Contenedor de reflexión

b)

c)

d)

a)




,9

2 FRACTURA Y FATIGA DE MATERIALES

2.1 Fractura

La fractura es la separación de un sólido en dos o más partes bajo la acción de una carga

externa. Usualmente, para fracturar un material se requiere incrementar la carga

progresivamente hasta que un proceso de nucleación y propagación de grietas ocurra.

La mecánica de fractura relaciona el tamaño y forma de una grieta y las fuerzas o cargas

que conducen a la fractura de un componente de forma y dimensiones definidas. Para esto,

se apoya en el cálculo de la distribución de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos

alrededor de una grieta.

La mecánica de fractura introduce una variable adicional en el análisis de la resistencia de

una estructura, que es el tamaño de grieta, lo que aumenta el número de interrelaciones que

se puedan considerar en un diseño, en comparación con la metodología del diseño

tradicional, como se ilustra en la Figura 5.

La mecánica de fractura, en cualquier caso, busca responder tres preguntas básicas: ¿Cuál

es la carga de fractura para un tamaño de grieta conocido? ¿Cuál es el tamaño máximo

tolerable de grieta antes de la fractura? ¿Cuánto tiempo una grieta alcanzará su tamaño

crítico? La respuesta a las dos primeras preguntas permite establecer las condiciones de

carga y tamaño de grietas para operar en forma segura una estructura, con base en la

resistencia residual, mientras que la respuesta a la última pregunta permite predecir la vida

residual de un componente estructural agrietado.

(a) (b) Figura 5. (a) diseño con mecánica de fractura, (b) diseño tradicional




,10

Existen tres maneras fundamentales, o modos, mediante los cuales una carga puede actuar

sobre una grieta, y cada uno produce desplazamientos diferentes de la superficie de la

misma. El modo I es una carga de abertura (o de tracción), mientras los modos II y III son

modos de deslizamiento y de desgarre, respectivamente. El modo I es el que ocurre con

mayor frecuencia.

Para la configuración de modo I, las tensiones que actúan sobre un elemento de material se

muestran en la Figura 6. Utilizando los principios de la teoría de elasticidad y la notación

indicada, los esfuerzos normales x, y y cortante xy son funciones de la distancia radial r

y del ángulo .

2

3

21

2cos

2

sensen

r

Kx

(1)

2

3

21

2cos

2

sensen

r

Ky

(2)

2

3cos

2cos

22

sen

r

Kxy

(3)

El factor de intensidad de esfuerzos, K, es un parámetro que define la magnitud de los

esfuerzos en la punta de una grieta si la deformación en el cuerpo es esencialmente elástica,

depende de la geometría de la grieta y del esfuerzo aplicado. Cuando K alcanza un valor

crítico Kc conocido como tenacidad a la fractura, la fractura del componente ocurre, de lo

contario el componente puede operar de forma segura con la grieta presente. La tenacidad a

la fractura Kc es una propiedad del material que depende de la temperatura y condiciones

ambientales.

Figura 6. Los esfuerzos que actúan en el frente de una grieta que es sometida a una configuración de tracción de modo I




,11

2.2 Fatiga [Dowling 2007, Madrigal 2008]

La fatiga es un proceso de daño progresivo que culmina en la fractura de un material sujeto

a cargas repetidas o fluctuantes. Las fracturas por fatiga inician como grietas que crecen

bajo la acción de esfuerzos fluctuantes hasta que alcanzan su tamaño crítico y sobreviene la

fractura final. La fatiga, en sus etapas inicial e intermedia, no produce cambios aparentes en

la geometría ni en la microestructura del material y las grietas producidas son muy finas, lo

que hace difícil de detectar anticipadamente, de ahí su peligrosidad.

La fatiga es un fenómeno que fue reconocido desde principios del uso de maquinarias y

estructuras metálicas a gran escala. Actualmente se sabe que la fatiga ocurre en

prácticamente todos los materiales de ingeniería. Una gran cantidad de investigaciones se

realizan con el fin de predecir la vida en fatiga, desarrollar materiales resistentes a ella y

comprender mejor sus mecanismos.

Existen muchas situaciones en las que la fatiga es posible, dicho en otras palabras, lo

importante en la fatiga no es, tanto si ésta ocurrirá o no (teóricamente siempre va a ocurrir),

sino en cuanto tiempo o número de ciclos se presentará y si ese tiempo o número de ciclos

es mayor que la vida esperada de servicio del componente.

Existen una gran cantidad de componentes que son candidatos a la fatiga algunos de los

más importantes son

Partes estructurales de aviones

Partes de suspensión, dirección y frenos de vehículos terrestres

Toda clase de motores

Estructuras de puentes y edificios

Partes de maquinarias

Grúas, elevadores y equipos de movimientos de materiales

Turbinas

Tuberías

Reactores

Ruedas y rieles de ferrocarril, etc.

La Figura 7 muestra fallas por fatiga típicas en algunos elementos mecánicos. Dos

conocimientos básicos en el análisis de fatiga son: que a mayor amplitud de esfuerzo, el

número de ciclos de carga necesarios para producir fatiga se reduce en forma exponencial y

segundo, que la presencia de entallas agudas, grietas y en general, cualquier concentrador

de esfuerzos reduce drásticamente el número de ciclos de falla.

La fatiga es un fenómeno complejo de analizar por la cantidad de factores que influyen en

ella. Los factores principales que influyen en la fatiga son:

Concentración de esfuerzos (geometría).

Estado de esfuerzos y deformaciones.

Microestructura.

Propiedades mecánicas (dureza, tensión, tenacidad a la fractura).




,12

Temperatura.

Ambiente.

Esfuerzos residuales.

Combinación de esfuerzos (carga multiaxial).

Acabado superficial.

Figura 7. Fallas por fatiga típicas en componentes mecánicos

2.3 Crecimiento de grietas por fatiga

La presencia de una grieta puede reducir significativamente la resistencia de un

componente de mecánico provocando la fractura frágil. La situación más común se presenta

como una pequeña imperfección, en la cual dentro de ella se desarrolla una grieta, que

crece hasta alcanzar su tamaño crítico y provocar la fractura frágil.

El crecimiento de la grieta puede ser causado por cargas cíclicas, debido a un

comportamiento llamado: crecimiento de grieta por fatiga. Sin embargo si un ambiente

químico hostil está presente, una carga estable puede provocar un crecimiento de grieta por

ambiente hostil.

Considerando un crecimiento de grieta que incrementa su longitud por una cantidad a

durante la aplicación de un número de ciclos N. La razón de crecimiento con respecto a




,13

los ciclos puede ser caracterizada con la relación da/dN, (mm/ciclos). La tasa de

crecimiento de grieta por fatiga, es la pendiente sobre un punto de una curva a contra N.

Para un material y condiciones de prueba dados, el comportamiento del crecimiento de la

grieta puede ser descrito por la relación entre la tasa de crecimiento de grieta cíclico da/dN

y el rango del factor de intensidad de esfuerzos K de acuerdo con la conocida Regla de

Paris,

mKCdN

da (4)

2.4 Esfuerzos residuales y técnicas de medición

Los esfuerzos residuales se definen como los esfuerzos que existen en las partes mecánicas

sin la presencia de cargas externas aplicadas (incluyendo gravedad) u otras fuentes de

esfuerzos tales como gradientes térmicos.

En general los esfuerzos residuales pueden ser inducidos por:

Flujo plástico no homogéneo bajo la acción de tratamiento externo.

Deformación plástica no homogénea durante calentamiento o enfriamiento no

uniforme (usualmente temple y moldeo de plásticos)

Deformación estructural de trabajado de metales (Tratamiento térmico)

Heterogeneidad de orden químico o cristalográfico (nitrurado ó carburizado).

Varios tratamientos superficiales (Recubrimientos por CVD, PVD y plating de

cromo y níquel).

Diferencias en el Coeficiente de Expansión e incompatibilidades mecánicas de los

diferentes componentes de los compuestos (compuestos con una matriz metálica,

orgánica y recubrimientos cerámicos).

Los esfuerzos residuales pueden ser de tensión o de compresión. Normalmente los

esfuerzos residuales de tensión disminuyen la resistencia a la fatiga del material, por lo que

son indeseables, se evitan o bien se relevan mediante alguna técnica o tratamiento térmico.

Por el otro lado, los esfuerzos residuales de compresión son benéficos, mejoran las

propiedades de fatiga por lo que se inducen deliberadamente y son parte del proceso de

manufactura de algunos componentes.

Las técnicas para medición de esfuerzos residuales se clasifican en destructivas y no

destructivas. Las primeras se basan en la destrucción del estado de equilibrio de los

esfuerzos residuales en un componente mecánico. De esta forma, los esfuerzos residuales

pueden medirse a través de su relajación.

Algunas de las diferentes técnicas destructivas son las siguientes:

Método del agujero ciego (hole-drilling).

Técnica de Ring Core.

Método de Deflexión de Vigas.

Método de Seccionado (Método de la Complianza).




,14

La segunda serie de técnicas consiste de métodos no destructivos. Estas técnicas se basan

en las relaciones entre los parámetros físicos o cristalográficos y los esfuerzos residuales.

Algunas de las diferentes técnicas no destructivas son las siguientes:

Método de Difracción de Rayos X.

Método de Difracción de Neutrones.

Métodos Ultrasónicos.

Métodos Magnéticos.




,15

3. EFECTO DEL LSP EN MATERIALES METÁLICOS

3.1 Efecto en la fatiga y fractura del aluminio [Rubio-González 2004]

El objetivo de este trabajo es examinar el efecto del LSP sobre el comportamiento a la

fatiga y resistencia a la fractura de las muestras de aleación de aluminio 6061-T6. Los

parámetros del proceso tales como la densidad de impulsos son variados. Se investiga el

efecto del LSP en la razón de crecimiento de grietas por fatiga, resistencia a la fractura,

micro-dureza, y las tensiones residuales.

Material

La muestra utilizada para los ensayos de crecimiento de grietas por fatiga fueron muestras

de tensión compactas como se ilustra en la Figura 8. Todas las probetas para pruebas de

crecimiento de grietas se mecanizaron con el eje de carga paralelo a la dirección de

laminación. La Figura 8 también muestra la dirección de barrido.

LSP

Los experimentos LSP se realizaron usando un láser Q switched Nd: YAG que operan a 10

Hz con una longitud de onda de 1064 nm y FWHM de los pulsos fue 8 ns. Una lente

convergente se utiliza para entregar 1.2 J. El diámetro del haz fue de 1.5 mm.

Las muestras se sumergieron en un baño de agua cuando eran irradiadas. El medio

confinante fue agua. El área tratada fue de 20 mm × 15 mm en ambos lados del espécimen.

Un sistema de movimiento 2D se utiliza para controlar la posición de la muestra y generar

el barrido como se muestra en la Figura 9. Controlando la velocidad del sistema se obtuvo

la densidad de impulsos deseada.

Las pruebas de crecimiento de grietas de fatiga se realizaron en una máquina servo-

hidráulica MTS 810 a temperatura ambiente en el aire. Relación de carga R = Pmin / Pmax

se mantuvo a R = 0.1. Se utilizó una frecuencia de 20 Hz con una forma de onda sinusoidal.

Se formaron dos grupos de muestras con densidades de pulso de 900, 1350 y 2500 pul /

cm2. Un espécimen de cada grupo se puso a prueba a carga máxima de 3000N y otro para

5000N. La longitud de grieta se midió utilizando una cámara CCD con un aumento de 10x

Una pre-grieta de 5mm se generó en cada espécimen antes del tratamiento LSP, Figura 10.

El factor de intensidad de esfuerzos KI debido a la carga externa P se determinó empleando

la siguiente ecuación,

432

2/360.572.1432.1364.4886.0

1

2

W

a

W

a

W

a

W

a

W

a

W

a

WB

PK I

(5)




,16

Tenacidad a la fractura

Especímenes compactos de tensión (CT) con y sin tratamiento LSP se utilizaron para medir

la tenacidad de fractura de acuerdo con el estándar ASTM E399. Una pre-grieta por fatiga

de 27 mm de longitud se hizo en cada muestra.

Figura 8. Geometría del espécimen usado en los experimentos de crecimiento de grietas y tenacidad a la fractura

Figura 9. Probeta con tratamiento superficial con láser

61

.0±

0.4

50.8± 0.2

12.0± 0.2

63.5± 0.5

6.04

5° 14.0

±0.2

30.5

±0.2

30

.5±

00

.2

Swept direction




,17

Caracterización de los efectos inducidos por LSP

La Figura 11, muestra la distribución de esfuerzos residuales como una función de la

profundidad. Se observa que un pulso de alta densidad genera un valor mayor de esfuerzos

residuales de compresión S2, el cual es perpendicular a la dirección del barrido. Además, se

aprecia que existe un efecto del pulso en la dirección del barrido, por ejemplo, la

componente perpendicular al barrido es más alta que la componente paralela en esa

dirección.

Figura 10. Grieta de 5mm de longitud en aluminio 6061- T6 inducida por fatiga

Figura 11. Esfuerzos residuales

1 mm




,18

La Figura 12 muestra el comportamiento de la razón de crecimiento de grieta por fatiga

para probetas con distintas densidades de pulsos, así como para probetas ensayadas sin

tratamiento LSP. Se observa que, la razón de crecimiento, da/dN, disminuye al aumentar la

densidad de pulsos, para un valor constante de K.

Figura 12. Razón de crecimiento de grieta por fatiga para el aluminio 6061- T6 sin LSP y con LSP con diferentes

densidades de pulsos

De la figura anterior, se observa que los valores más bajos de razón de crecimiento,

(da/dN), se obtuvieron en las probetas tratadas con LSP a diferencia de las que no tienen el

tratamiento, esto indica que el crecimiento de la grieta se retarda mediante el tratamiento

con LSP, debido al campo de esfuerzos residuales a compresión inducidos en la superficie

de la probeta.

A fin de determinar los valores de tenacidad a la fractura KIc en el Al 6061-T6, se

realizaron ensayos con probetas tipo CT con y sin tratamiento de LSP. Los resultados

obtenidos en los gráficos de la Figura 13, muestran que al incrementar la densidad de

pulsos en las probetas tratadas con LSP, aumenta el valor de la carga máxima, esto se debe

9 10 20 30 40 50

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

Probeta a 2500 Pulsos/cm2



Probeta sin LSP

Crecimiento de grieta por fatiga, Al 6061- T6

da/d

N (m

m/c

iclo

)

KI(MPa(m)

1/2)




,19

al tratamiento superficial en las probetas. A diferencia de la curva obtenida para la probeta

sin tratamiento. La tabla 1 muestra los valores de tenacidad a la fractura para las diferentes

densidades de pulsos.

Figura 13. Curvas carga desplazamiento para determinar la tenacidad a la fractura

Conclusiones

Se demostró que el tratamiento LSP es una técnica de tratamiento superficial eficaz para

mejorar las propiedades de fatiga de la aleación de aluminio 6061-T6. Esto es debido al

campo de esfuerzos residuales inducidos en la superficie. Se ha demostrado que

aumentando la densidad de impulsos se reduce la razón de crecimiento de grietas de fatiga.

Se ha demostrado también que el LSP mejora la tenacidad a la fractura de esta aleación de

aluminio.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0

1

2

3

4

5

6

Carga vs. Extensión

2500 Pulsos/cm2

1350 Pulsos/cm2900 Pulsos/cm

2

Sin Tratamiento con LSP

Carg

a (

kN

)

Extensión (mm)




,20

Densidad de

pulsos

Pul/cm2

Carga PQ

kN

Tenacidad a la

factura

MPa(m)1/2

Sin LSP 4.61 34.04

900 4.78 35.29

1350 5.24 38.69

2500 5.32 39.28

Tabla 1. Efecto del LSP en la tenacidad a la fractura del aluminio 6061-T6

3.2 Efecto en la fractura de aceros al carbono e inoxidables [Rubio-González 2008]

En este trabajo se evalúa el efecto del LSP en el crecimiento de grietas por fatiga y

tenacidad a la fractura del acero al carbono AISI 1045 y el acero inoxidable AISI 304. Las

densidades de pulsos empleadas son 2500 y 5000 pulsos/cm2 con una longitud de onda de

1064 nm. Especímenes compactos CT pre-agrietados fueron sometidos al tratamiento

superficial con láser y posteriormente se les aplicó carga cíclica para continuar el

crecimiento de la grieta. Las razones de crecimiento de grietas en especímenes con y sin

tratamiento LSP se comparan para ambos materiales.

Para efectuar el tratamiento superficial con LSP se utilizó un láser Nd:YAG a 1.2 J/cm2,

operando a 10 Hz, con una longitud de onda de 1064 nm (radiación infrarroja) y una

duración de pulso de 8 ns. También se utilizó una lente convergente para obtener pulsos

enfocados en un diámetro aproximadamente de 1.5 mm, sobre la probeta inmersa en un

recipiente de agua.

En la Figura 14(a) se muestra la comparación de las gráficas (a, N) del acero al carbono

AISI 1045. En todos los gráficos, la longitud de la grieta a, se midió a partir la línea de

aplicación de carga. Se puede observar que a mayor densidad de pulsos, existe una ligera

diferencia (mayor), en el número de ciclos para alcanzar la misma longitud de grieta, entre

los diferentes tratamientos (sin LSP, 2500 Pulsos/cm2 y 5000 Pulsos/cm

2), pero esta no es

significativa.




,21

(a) (b)

Figura 14. Comparación de las diferentes graficas (a, N), (a) del acero al carbono AISI 1045, (b) del acero inoxidable AISI

304.

En la Figura 14(b) se muestra la comparación de las gráficas (a, N) del acero inoxidable

AISI 304. Se puede observar que a mayor densidad de pulsos, mayor es el número de ciclos

para alcanzar la misma longitud de grieta. Aquí sí se observa un diferencia significativa,

entre los diferentes tratamientos (sin LSP, 2500 Pulsos/cm2 y 5000 Pulsos/cm

2)

En la Figura 15(a) se muestran los resultados obtenidos de la razón o tasa de crecimiento de

grieta por fatiga contra el rango del Factor de Intensidad de Esfuerzos, para el acero al

carbono AISI 1045. Se puede observar que no existe una diferencia significativa entre los

tratamientos, tanto para 2500 Pulsos/cm2, 5000 Pulsos/cm

2 y sin LSP.

En la Figura 15(b) se muestran los resultados obtenidos de la razón de crecimiento de grieta

por fatiga contra el rango del Factor de Intensidad de Esfuerzos, para el acero inoxidable

AISI 304. Se puede observar que en este material, sí existe una diferencia significativa

entre los tratamientos, tanto para 2500 Pulsos/cm2, 5000 Pulsos/cm

2 y sin LSP. Se puede

decir que, la razón de crecimiento disminuye al aumentar la densidad de pulsos, para un

valor constante del rango de intensidad de esfuerzo.

Conclusiones

Para el acero AISI 1045

El tratamiento superficial con LSP, no provoca un cambio significativo en la dureza de este

material. Los esfuerzos residuales de compresión, se incrementan a medida que aumenta la

densidad de pulsos, pero no significativamente. El crecimiento de grieta por fatiga, se

retarda a medida que aumenta la densidad de pulsos, pero no significativamente. Es decir,

se necesitan más ciclos, para generar la misma longitud de grieta. El tratamiento superficial

con láser, no provoca un cambio significativo en la razón o tasa de crecimiento de grieta

por fatiga, en este material. La tenacidad a la fractura KIC, solo aumentó en el tratamiento

de 5000 Pulsos/cm2, aproximadamente a 60 MPa(m)

1/2. En los tratamientos de 2500

Pulsos/cm2 y sin LSP, no hubo un cambio significativo, se obtuvo un valor

aproximadamente de 50 MPa(m)1/2

.




,22

El tratamiento superficial con láser, bajo los parámetros empleados en este trabajo, no

resultó ser el más adecuado para el acero al carbono AISI 1045, puesto que sus propiedades

mecánicas no mejoraron significativamente

(a) (b)

Figura 15. Razón de crecimiento por fatiga para, (a) acero al carbono AISI 1045 a: 2500 Pulsos/cm2, 5000 Pulsos/cm2 y

sin LSP, (b) acero inoxidable AISI 304 a: 2500 Pulsos/cm2, 5000 Pulsos/cm2 y sin LSP;

Para el acero inoxidable 304

El tratamiento superficial con láser, sí provoca un cambio significativo en la dureza de este

material. Hubo un aumento de 2.4%, para el tratamiento de 2500 Pulsos/cm2 y 16.9% para

el tratamiento de 5000 Pulsos/cm2. Los esfuerzos residuales de compresión, se incrementan

a medida que aumenta la densidad de pulsos, significativamente. Para el tratamiento sin

LSP, se obtuvo un valor promedio de -100 MPa a partir de 0.50mm de profundidad, para el

tratamiento de 2500 Pulsos/cm2, un valor -400 Mpa a partir de 0.40 mm y para el

tratamiento de 5000 Pulsos/cm2, un valor entre -600MPa a -500MPa a partir 0.35mm. El

tratamiento superficial con láser, provoca un cambio en la razón o tasa de crecimiento de

grieta por fatiga, en este material. Ésta disminuye al aumentar la densidad de pulsos, para

un valor constante del rango de intensidad de esfuerzo.

En general, se recomienda el tratamiento superficial con láser, en este material, porque

produce mejoras, en la vida por fatiga y otras propiedades mecánicas

3.3 Efecto en la fractura de acero inoxidable dúplex [Rubio-González 2011]

Los aceros inoxidables dúplex tienen una amplia aplicación en diferentes campos como en

la industria naval, petroquímicos y químicos, debido a su alta resistencia así como su alta

resistencia a la corrosión. Las excelentes propiedades mecánicas de estos aceros se deben a

su microestructura dúplex con cantidades aproximadamente iguales de austenita y ferrita.

En este trabajo se lleva a cabo una investigación para evaluar el efecto del tratamiento

superficial con láser sobre algunas propiedades mecánicas del acero inoxidable dúplex

2205.




,23

Se evalúa el efecto de la densidad de impulsos en el campo de esfuerzos residuales

determinado mediante el método del contorno. Se observa que cuanto mayor es la densidad

de impulsos mayor es el esfuerzo residual de compresión. Se utilizaron densidades de pulso

de 900, 1600 y 2500 pul / cm2. Especímenes tipo CT pre-agrietado fueron sometidos a

proceso LSP y luego probados bajo carga cíclica para evaluar la razón de crecimiento de

grietas por fatiga. Adicionalmente, se determina tenacidad a la fractura en las muestras con

y sin tratamiento LSP. Se observa que LSP reduce el crecimiento de grietas por fatiga y

aumenta la tenacidad a la fractura de este acero. La microestructura no se ve afectada por

LSP, las fases de ferrita y austenita no se alteran por el LSP.

(a)

(b)

Figura 16. (a) Crecimiento de grietas en el acero dúplex 2205 en muestras con LSP, (b) razón de crecimiento de grietas.

15

17

19

21

23

25

27

29

0 50000 100000 150000 200000 250000

Fatigue Crack Growth. 2205 Duplex Stainless Steel

900 pul/cm2

1600 pul/cm2

2500 pul/cm2

Cra

ck L

engt

h (

mm

)

Number of Cycles

1.E-05

1.E-04

1.E-03

10 100

Fatigue Crack Growth. Duplex Stainless Steel 2205

900 pul/cm2

1600 pul/cm^2

2500 pul/cm^2

da/

dN

(m

m/c

ycle

)

K, MPa(m)^1/2




,24

3.4 Efecto en el desgaste [Sánchez-Santana 2006]

El objetivo de esta sección es examinar el efecto que provoca la técnica de tratamiento

superficial con láser, LSP, en el comportamiento por fricción y desgaste de la aleación de

aluminio 6061-T6. En particular, se investiga la velocidad de desgaste y los coeficientes de

fricción, para diferentes condiciones del tratamiento láser. Así mismo se evalúan perfiles de

micro-dureza, distribución de esfuerzos residuales y rugosidad de las muestras después del

tratamiento LSP.

Es importante considerar las grandes pérdidas económicas que anualmente se presentan en

todo el mundo debido al desgaste de materiales. La caracterización de los coeficientes de

fricción y de las velocidades de desgaste son parámetros necesarios para un diseño

adecuado de componentes mecánicos.

El desgaste se define como el daño ocasionado a una superficie como resultado de un

contacto y movimiento relativo con otras superficies. Este daño puede ser en forma de

pérdida de material, formación de microgrietas o también deformación plástica.

Preparación de los especímenes

Los especímenes se obtuvieron de placa comercial de aluminio 6061-T6, fueron tratados

superficialmente con LSP con diferentes densidades de pulsos (900, 2500 y 5000

pulsos/cm²). Los experimentos de LSP fueron realizados usando un láser Q-switch

Nd:YAG operando a 10Hz con una longitud de onda de 1064nm y el FWHM de los pulsos

fue de 8ns. Una lente convergente se utilizó para entregar 1.2J. El diámetro del haz láser

fue de 1.5mm. Los especímenes fueron sumergidos en un baño de agua cuando fueron

irradiados; el agua fue el medio confinante.

Para estos ensayos se emplearon probetas cuya geometría se muestra en la Figura 17(a) en

la cual también se ilustra la zona de tratamiento.

Procedimiento experimental

La configuración empleada en las pruebas de desgaste es conocida como tribómetro roll-

on-flat (rodillo sobre plano), ilustrado en la Figura 17(b); el rodillo tiene una velocidad

angular constante con una carga P aplicada directamente en el centro de mismo.

El rodillo es de acero NSOH B01 con una dureza de 65 HRC, es el que provoca el desgaste

sobre la placa de aluminio, gira a una velocidad de rotación constante de 500 rpm; los tres

niveles de carga P aplicados fueron 52, 57 y 62 N. La dirección de barrido del LSP fue

perpendicular a la dirección del laminado del material.

La cuantificación del desgaste se registra mediante el software COMPEND 2000 del

tribómetro mostrado en la Figura 18; en este paquete se pueden registrar diferentes

variables durante el transcurso de un ensayo como desgaste, velocidad de deslizamiento,




,25

distancia recorrida, fuerza de fricción, coeficiente de fricción, temperatura ambiente y

temperatura alcanzada en el espécimen durante la prueba.

Figura 17. (a) Geometría del espécimen usado en los ensayos de desgaste, (b) ilustración del tribómetro roll-on-flat

Resultados

Al realizar los ensayos se obtuvieron las curvas de desgaste contra tiempo en probetas sin y

con tratamiento LSP (Figuras 19-21), así como también el coeficiente de fricción dinámico

en función de la distancia recorrida en cada caso. La velocidad de deslizamiento fue

constante de 500 rmp y la temperatura ambiente promedio registrada fue de 23ºC. La

profundidad de desgaste máxima fue de 750 µm en los tres diferentes cargas. Se puede

observar que al aumentar la densidad de pulsos del LSP se obtiene un mayor tiempo para

alcanzar la profundidad de desgaste y por consiguiente es menor velocidad de desgaste.

Figura 18. Tribómetro Phoenix LTD empleado en los ensayos de desgaste

(b)




,26

Figura 19. Curvas desgaste - tiempo del aluminio 6061-T6 con una carga de 52 N





,27


Figura 22. Imágenes del espécimen y del rodillo después de la prueba de fricción y desgaste

Conclusiones

Se ha demostrado que el tratamiento LSP es una técnica superficial eficaz para mejorar

características de la aleación de aluminio 6061-T6 contra el desgaste. Esto es debido al

campo de esfuerzos residuales a compresión inducido en la superficie.

La razón de desgaste de las aleaciones de aluminio depende significativamente de la

carga de ensayo.

Se ha demostrado que aumentar la densidad de los pulsos de LSP, reduce la razón de

desgaste en las probetas de aleación de aluminio 6061-T6. La razón de desgaste se

redujo 68% usando una densidad de pulsos de 5000 pul/cm2.

El mecanismo de desgaste observado fue del tipo abrasivo / adhesivo, y cuando se

incrementa la profundidad de desgaste el mecanismo es por de-laminación de capas con

una substancial deformación plástica en la subsuperficie desprendiendo debris con

morfología de láminas.




,28

3.5 Relajación de esfuerzos residuales inducidos por LSP [Rubio-González 2009]

Se ha demostrado que los esfuerzos residuales de compresión inducidos por el LSP mejoran

la vida por fatiga y las propiedades a la fractura de los materiales y componentes. Sin

embargo, las cargas cíclicas pueden relajar el campo de esfuerzos residuales disminuyendo

el efecto benéfico del LSP, si aunado a esto se aplican altas temperaturas, la razón de

relajación presentada por el campo de esfuerzos residuales de compresión es aún mayor,

provocando así la fractura de los elementos tratados.

Para poder llevar el LSP a aplicaciones industriales, es necesario tener un conocimiento

profundo del mismo y evaluar su efecto bajo diferentes condiciones de carga y temperatura.

Es conveniente predecir el comportamiento de los efectos benéficos del LSP bajo

condiciones extremas de trabajo, con el motivo de determinar un periodo de vida útil.

El objetivo de este estudio fue analizar el efecto de cargas cíclicas bajo diferentes

condiciones de esfuerzo y temperaturas sobre la estabilidad del campo de esfuerzos

residuales inducidos por LSP para un aluminio 6061-T6. De igual manera determinar las

curvas de relajación del campo de esfuerzos residuales por la influencia de carga cíclica y

temperatura controlada (150ºC y 170ºC).

La metodología empleada en este estudio fue la siguiente:

Aplicación del tratamiento LSP a probetas de aluminio 6061-T6

Preparación de las probetas para la medición.

Aplicación de cargas cíclicas en la máquina MTS de pruebas mecánicas bajo diferentes

niveles de esfuerzo medio y a diferentes temperaturas.

Medición de esfuerzos residuales sucesivamente después de cierto número de ciclos de

carga. La medición de esfuerzos residuales se llevó a cabo mediante Difracción de

rayos X.

Aplicación de algún modelo de relajación de esfuerzos para caracterizar el efecto de las

cargas cíclicas sobre el campo de esfuerzos residuales

Los especímenes fueron tratados superficialmente con LSP usando un láser Q-switch

Nd:YAG operando a 10Hz con una longitud de onda de 1064nm. Una lente convergente

fue utilizada para entregar una energía de 1.2 y 2.5J al incidir el láser. El diámetro del haz

láser fue de 1.5mm. Utilizando una densidad de pulsos de 5000 pulsos/cm². Antes de

irradiar los especímenes fue necesario aplicarles un recubrimiento de pintura con el

objetivo de que ésta actuara como medio absorbente [Rubio-González 2006]. Durante la

irradiación los especímenes, éstos fueron sumergidos en un baño de agua con un espesor de

10cm, en donde ésta sirvió como medio confinante

La Figura 23 muestra los especímenes empleados en el estudio. Una vez que se hizo el

tratamiento, con LSP, se determinó un diagrama de difracción para seleccionar el pico de

difracción en que debería hacerse la medición de los esfuerzos residuales, como se muestra

en la Figura 24(a).




,29

Figura 23. Especímenes usados en el estudio de relajación de esfuerzos residuales inducidos por LSP

Las pruebas de fatiga se hicieron en una maquina MTS 810 (Figura 25) para pruebas

mecánicas, aplicando tres niveles de carga diferentes, que van de 1 a 10kN, 1.3 a 13kN y

1.44 a 14.4kN, produciendo un esfuerzo máximo en la probeta de 145MPa, 190MPa y

210MPa respectivamente. La forma de onda de la carga cíclica aplicada fue senoidal y la

frecuencia utilizada durante las pruebas de fatiga fue de 40Hz, Figura 25(a).

(a) (b) Figura 24. (a) Diagrama de difracción de rayos X en la probeta con LSP. (b) Montaje de la probeta para medición de

esfuerzo residuales por difracción de rayos X

Dirección de barrido durante el tratamiento.

Zona de tratamiento.

Huellas de barrido.

Dirección de aplicación de la carga.

Dirección de Barrido.

Tubo de Difracción

Dirección seguida por la radiación.




,30

Adicionalmente se realizaron pruebas aplicando temperatura controlada de 150°C y 170°C,

con un esfuerzo máximo de 145MPa, éstas pruebas se hicieron, utilizando una cámara con

control de temperatura, que es montada a la máquina MTS de tal manera que las mordazas

que sujetan la probeta quedan dentro, permitiendo así, tener control de la atmósfera que las

rodea, Figura 26.

Figura 25. Carga cíclica aplicada en la relajación de esfuerzos, máquina MTS empleada en las pruebas

Figura 26. Máquina de pruebas de tensión para aplicación de carga cíclica. Horno de alta temperatura para pruebas de

relajación por temperatura




,31

Figura 27. Relajación de esfuerzos residuales inducidos por LSP, componente 0o

Conclusiones

El porcentaje de relajación presentado en dirección de 90º resultó mayor al presentado

en dirección de 0º, esto debido a que 90º coincide con la dirección de aplicación de la

fuerza, Figuras 27 y 28.

Se ha comprobado la influencia que ejerce el esfuerzo aplicado, sobre el campo de

esfuerzos residuales y se determinó que al incrementar éste, aumentó la razón de

relajación.

Se demostró la influencia de la temperatura sobre la relajación del campo de esfuerzos

residuales, ya que al variar solamente la temperatura, se pudo observar un incremento

en la relajación.

Para todos los casos, el porcentaje de relajación presentado por la acción de la

temperatura es mayor, que el presentado por el solo incremento del esfuerzo.

% de relevación de esfuerzos residuales con temperatura en

dirección de 0°

y = -6.5134Ln(x) + 162.85

R2 = 0.9708

y = -13.425Ln(x) + 232.45

R2 = 0.9958

y = -16.834Ln(x) + 267.51

R2 = 0.9922

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.E+04 1.E+05 1.E+06

Log (N)

% d

e r

ela

jació

n

Tem. Amb T=150°c T=170°c




,32

Figura 28. Relajación de esfuerzos residuales inducidos por LSP, componente 90o

% de relevación de esfuerzos con temperatura dirección 90°

y = -4.505Ln(x) + 150.34

R2 = 0.9976

y = -6.2702Ln(x) + 143.09

R2 = 0.9717

y = -16.752Ln(x) + 239.32

R2 = 0.9998

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1.E+04 1.E+05 1.E+06

Log (N)

% d

e r

ela

jació

n

Temp. Amb. T= 150°c T= 170°c




,33

4. EFECTO DEL LSP EN COMPONENTES CON CONCENTRADORES DE

ESFUERZOS

4.1 Extensión de vida por fatiga de componentes con orificios mediante LSP

[Rubio-González 2015]

La fijación mecánica sigue siendo uno de los principales métodos utilizados para unir

componentes. Diferentes técnicas han sido aplicadas para reducir el efecto de la

concentración de esfuerzos de muescas como los orificios. En este trabajo se evalúa la

viabilidad de combinar el LSP y la expansión en frío para mejorar la vida por fatiga y la

propagación de grietas formadas alrededor de orificios en placas de aluminio 6061-T6.

La distribución de esfuerzos residuales como función de la profundidad se determinó por el

método de contorno. Especímenes tipo CT con un agujero en la punta de la muesca fueron

sometidos al proceso de LSP y expansión en frío y luego sujetos a carga cíclica para

generar grietas de fatiga en la superficie del agujero. El inicio de grietas de fatiga y su

crecimiento posterior se analizan y se asocian con la distribución de esfuerzos residuales

generados por ambos tratamientos. Se observa que ambos métodos son complementarios; la

expansión en frío aumenta la vida por fatiga al retrasar el inicio de grietas, mientras que el

LSP reduce la tasa de propagación de grietas de fatiga.

Los agujeros en los componentes crean concentraciones de esfuerzos o deformación y por

lo tanto reducen la capacidad de carga. De acuerdo con información estadística de Huang et

al (1998) la fractura por fatiga de orificios de sujeción contribuye con 50 a 90% de la

fractura de aviones usados y el acabado superficial de orificios de sujeción tienen efecto

directo sobre la fiabilidad de la aeronave. Es bien conocido que las grietas inician en los

orificios de fijación en las estructuras de aeronaves bajo cargas de fatiga.

Los esfuerzos residuales de compresión son benéficos ya que tienden a cancelar con el

esfuerzo resultante de la carga externa reduciendo así el efecto de la concentración de

esfuerzos en el borde del agujero y la probabilidad de inicio de grietas de fatiga bajo carga

fluctuante se reduce.

Durante los últimos 30 años, el proceso de expansión en frío se ha utilizado ampliamente

para mejorar la vida de fatiga de los componentes que contienen agujeros, es una técnica

efectiva que no agrega peso adicional. Para lograr la expansión en frío una esfera o mandril

de mayor tamaño es forzado a pasar a través del agujero generando una región plástica. La

mejora en la vida de fatiga de orificios de sujeción expandidos en frío se atribuye a la

presencia del esfuerzo residual de compresión alrededor de la superficie del agujero.

El objetivo de este trabajo es analizar la combinación de LSP y expansión en frío para

mejorar el inicio y propagación de grietas de fatiga y en muestras de aleación de aluminio

6061-T6 con orificios. La distribución de esfuerzo residual como función de la profundidad

se determina por el método de contorno. Especímenes tipo CT con un agujero en la punta

de la muesca fueron sometidos a proceso LSP y expansión en frío y luego se aplicó carga

cíclica; en seguida se monitorean las grietas por fatiga que emanan de la superficie del




,34

agujero. La iniciación de grietas de fatiga y el crecimiento se analizan y se asocian con la

distribución de esfuerzos residuales generados por ambos tratamientos.

Placas de aluminio 6061-T6 con un espesor de 6.3 mm se mecanizaron para obtener las

muestras. Se aplicó LSP sin revestimiento protector sobre la superficie del espécimen. La

Figura 29 muestra una fotografía de un espécimen tipo CT con LSP. Desde el punto de

vista práctico, sería conveniente evaluar la viabilidad de la aplicar LSP en los componentes

ya con agujeros que pueden ser ensamblados más adelante, donde no es posible aplicar LSP

antes de que se haga el agujero, ya que el proceso de fabricación puede no permitir la

modificación de la secuencia. Esta es la motivación para la secuencia elegida en este

trabajo.

(a)

(b)

Figura 29. Especímenes tipo CT empleados en las pruebas de crecimiento de grietas por fatiga. (a) Geomtería del

espécimen. (b) specimen real

61

.0±

0.4

50.8± 0.2

12.0± 0.2

63.5± 0.5

6.0

45° 14.0

±0.2

30.5

±0.2

30

.5±

00

.2

Diameter 5.7

mm

Treated area

20x20 mm

Fatigue

crack

emanating

from the

hole




,35

Se realizó un agujero inicial (diámetro 5.7 mm) con centro en el extremo de la muesca del

espécimen CT. El proceso de expansión en frío se llevó a cabo mediante la inserción de una

bola de acero de alta resistencia de 6 mm de diámetro a través del orificio utilizando una

máquina hidráulica con aceite como lubricante. Estos diámetros dan un porcentaje de

expansión en frío de 5,2%. La Figura 30 muestra una ilustración esquemática del proceso

de expansión en frío y la Figura 30(b) muestra una fotografía de la muestra utilizada para

las mediciones de esfuerzos residuales

(b)

Figura 30. Ilustración del proceso de expansión en frio, (b) imagen del espécimen utilizado en la medición

de esfuerzos residuales

La componente de esfuerzo residual perpendicular a la dirección de barrido se midió

utilizando el método de contorno (Prime, 2001) sobre la sección transversal del espécimen

tratado. Para ello la muestra se cortó por electroerosión a lo largo del plano de medición

con un alambre EDM. La forma de la superficie deformada, como resultado de las

tensiones residuales relajadas, se midió en una máquina de medición por coordenadas. Los

desplazamientos de la superficie de corte se filtraron mediante el ajuste a una superficie

analítica suave. Finalmente, las tensiones residuales originales se calcularon a partir del

contorno de medición utilizando un modelo de elementos finitos. La Figura 30 muestra una

fotografía de una muestra utilizada para la medición de tensiones residuales; este espécimen

se sometió a LSP y expansión en frío.

Steel ball

Depth A

Mid plane

Depth B

Aluminum

Sample d

LSP

Reference

surface

(a)




,36

La Figura 31 muestra las curvas de crecimiento de grietas por fatiga de muestras con

diferentes tratamientos. Se puede observar que las muestras con y sin tratamiento LSP no

tienen mucha diferencia en la iniciación de grietas de fatiga. La expansión en frío tiene un

efecto benéfico sobre la iniciación de grietas de fatiga como se muestra en la misma figura

(etiqueta "expansión en frío solamente"). Por último, se muestra la combinación de LSP y

expansión en frío para aumentar la vida a la fatiga de inicio de grietas aún más y reduce la

razón de crecimiento.

Figura 31. Crecimiento de grietas por fatiga en muestras de aluminio con diferentes tratamientos, LSP y

Expansión en Frio.

Con el fin de realizar una comparación de los perfiles de esfuerzos residuales obtenidos por

el método de contorno, se realizó una simulación de elementos finitos simplificada del

proceso de expansión en frío. A pesar de que un modelo 2D no es capaz de predecir con

precisión las tensiones residuales debido a su variación en la dirección del grosor; se utiliza

en este trabajo sólo para comparación con los resultados obtenidos por el método de

contorno. Se realizó un análisis no lineal utilizando el código ANSYS.

La malla se muestra en la Figura 33(a); debido a la simetría, se considera únicamente la

mitad superior. La Figura 33(b) muestra la distribución de la tensión residual von Mises. La

Figura 32 muestra el componente de la tensión residual tangencial obtenido por el análisis

de elementos finitos 2-D para ambas configuraciones. Vale la pena señalar un buen acuerdo

entre el perfil de tensión plana del medio medido por el método de contorno y el análisis de

elementos finitos 2-D para el caso del agujero de fijación.

15

17

19

21

23

25

27

29

31

40000 50000 60000 70000 80000 90000

Cra

ck L

en

gth

(m

m)

Number of Cycles

Fatigue crack initiation and growth

LSP only No treatment Cold Expansion only LSP and Cold Expansion




,37

Figura 32. Comparación de los perfiles de esfuerzo residual determinados con el método del contorno y los obtenidos con

simulación con elemento finito, espécimen sólo con expansión en frio

Conclusión

Se demostró que el LSP es una técnica de tratamiento superficial eficaz para mejorar las

propiedades de fatiga de la aleación de aluminio 6061. Puede ser un buen complemento de

expansión en frío para la mejora de la vida de fatiga de los componentes metálicos con

orificios. Se ha demostrado que el LSP y la expansión en frío son tratamientos adecuados

para mejorar la iniciación de grietas de fatiga y la propagación de especímenes de aluminio

6061-T6 con orificios. El efecto benéfico de la expansión en frío es principalmente en el

aumento de la vida por fatiga para el inicio de nuevas grietas, mientras que la ventaja de la

LSP es principalmente en la reducción de la tasa de crecimiento de grietas por fatiga. Esto

es debido al campo de esfuerzos residuales inducidos en la superficie del agujero

(expansión en frío) y las caras de la muestra (LSP).

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

0 5 10 15 20

Stre

ss (

MP

a)

Distance (mm)

Residual stress distribution. Cold Expansion only

FEM Stop hole

Depth B (Exit face)

Mid plane

Depth A (Entrance face)

FEM Fastener hole




,38

(a)

(b) Figura 33. Discretización por element finite 2-D de la mitad del specimen. (b) distribución de esfuerzo residual después de

la expansión en frío del orificio




,39

4.2 Modelación del LSP en componentes con muescas [Granados-Alejo 2016]

La simulación numérica del proceso LSP ha demostrado ser una herramienta útil para

evaluar el efecto del cambio de los parámetros optimizando el proceso y analizar la

respuesta en diferentes materiales. Se han evaluado diferentes metodologías empleando el

método del elemento finito [Ocaña 2004] para estimar los esfuerzos residuales y

deformaciones superficiales inducidos por el LSP. Un análisis numérico se realizó en

[Ivetic 2011] para evaluar especímenes con orificio sujetos a LSP, se estudió el efecto de

los esfuerzos residuales inducidos en la vida por fatiga de los componentes.

Varios elementos mecánicos de interés práctico tienen entallas o ranuras que no pueden

evitarse. Estos detalles geométricos son concentradores de esfuerzos que reducen la

capacidad de carga y son los lugares más probables de inicio de grietas. Mientras existen

algunas técnicas conocidas para mejorar el desempeño a la fatiga de componentes con

concentradores de esfuerzos como los orificios, tal como la expansión en frio; no las hay

para mejorar el desempeño de componentes con otro tipo de concentradores de esfuerzos

como las ranuras. Sería deseable desarrollar técnicas para mejorar la vida por fatiga de

componentes con ranuras de tal manera que se retarse la aparición de grietas alrededor de la

punta de la ranura, o bien, extender la vida de los componentes una vez que presentan daño

previo por fatiga.

En esta sección se presentan los resultados de evaluar el efecto del LSP en el

comportamiento a la fatiga de placas de aluminio 6061-T6 con ranuras y con y sin daño

previo por fatiga. La geometría de los especímenes se muestra en la Figura 34. Se

demuestra el efecto benéfico del LSP al extender la vida por fatiga de componentes pre-

fatigados. De igual manera, se presenta una simulación del proceso de LSP mediante el

método del elemento finito, seguida de un análisis de fatiga empleando criterios de fatiga

multiaxial para predecir su vida por fatiga. Las predicciones numéricas son comparadas con

resultados experimentales para evaluar los diferentes modelos de fatiga. La simulación del

proceso LSP se realizó con el paquete ABAQUS y el análisis de fatiga con el software FE-

Safe empleando como datos de entrada el campo de esfuerzos residuales obtenido en la

simulación del proceso LSP.

Se realizó una simulación simplificada del proceso LSP empleando el paquete de elemento

finito ABAQUS/Explicit; el objetivo fue estimar cuantitativamente la distribución de

esfuerzos residuales que sería usada en el análisis de fatiga posterior. El enfoque fue

analizar la respuesta transitoria de la muestra tratada debido a la presión del plasma creado

en el proceso LSP. El análisis numérico está constituido esencialmente por dos pasos: el

paso de carga en el cual se aplica el pulso láser seguido por el paso de relajación donde el

modelo retorna a su estado de equilibrio. En el modelo se usaron 48,180 elementos 3D. El

modelo se muestra en la Figura 35. El modelo de material empleado fue el de Johnson-

Cook. Las teorías de fatiga empleadas fueron las de Brown-Miller y Esfuerzo Principal

máximo. Se considera el efecto del esfuerzo medio a través de los modelos de Morrow y

SWT. Se utilizaron diferentes estimaciones de los parámetros de la ecuación de Coffin-

Manson.




,40

(a)

(b)

(c) Figura 34. Espécimen tipo CT empleado en las pruebas de inicio de grietas por fatiga. (a) Geometría del espécimen (b)

Espécimen con LSP (c) Grieta iniciada en el espécimen.

Área tratada

25x25 mm

Grieta por fatiga

generada en el

extremo de la

ranura




,41

Figura 35. Modelo de elemento finito del espécimen de prueba.

Se demostró que el LSP extiende la vida por fatiga de componentes con ranuras con y sin

daño previo por fatiga. Se observó que el LSP extiende el inicio de grietas por fatiga hasta

en un 58% en especímenes con ranuras y con daño previo, ver Figura 36. El LSP es una

técnica adecuada para mejorar la vida por fatiga de componentes con concentradores de

esfuerzos que se encuentran en servicio y que cuentan con daño previo. El LSP es viable no

solamente para decrecer la razón de crecimiento de grietas existentes, sino también para

retrasar el inicio de nuevas grietas por fatiga.

La simulación del proceso LSP seguida del análisis de fatiga dio como resultado

predicciones de vida por fatiga muy cercanas a los resultados experimentales, Figura 37.

Esta herramienta de simulación es muy útil en la fase de diseño del componente mecánico

así como en la optimización del proceso LSP.




,42

(a)

(b) Figura 36. Mejoramiento de la vida por fatiga (inicio de grietas) de placas de aluminio 6061-T6 con muescas y con daño

previo por fatiga, (a) diámetro de la muesca d=5 mm, (b) diámetro de la muesca d=3 mm

37,466

59,465

53,700

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

Without LSP 50% LSP 25% LSP

Benefit of LSP

Num

ber

of

cycl

es

58.72% 43.33%

222,542

249,542 251,542

205,000

210,000

215,000

220,000

225,000

230,000

235,000

240,000

245,000

250,000

255,000

Without LSP With prefatigue 50% and LSP With prefatigue 25% and LSP

Benefit of LSP

Num

ber

of

cycl

es

12.13% 13.03%

D=0.5, LSP D=0.25, LSP

D=0.5, LSP D=0.25, LSP

d=5mm

d=3mm




,43

(a) (b)

(c) Figura 37. (a) Distribución de esfuerzos residuales inducidos por LSP obtenidos con la simulación del proceso, (b)

campos de esfuerzos (von Mises) después de aplicar la carga de 3kN, (b) Distribución de ciclos a la falla obtenida con

FE-Safe.




,44

5. CONCLUSIONES

Se ha presentado una revisión del efecto del tratamiento superficial con láser (LSP) en

la respuesta de diferentes materiales y componentes, centrada principalmente en las

aportaciones realizadas por el autor y su grupo de investigación sobre este tema.

Se demostró que la técnica LSP es eficaz para mejorar las propiedades de fatiga de la

aleación de aluminio 6061-T6. Esto es debido al campo de esfuerzos residuales

inducidos en la superficie. Al aumentar la densidad de impulsos se reduce la razón de

crecimiento de grietas de fatiga. Así mismo el LSP mejora la tenacidad a la fractura de

esta aleación de aluminio.

El acero inoxidable AISI 3014 tiene una respuesta positiva al LSP, se mejoran

significativamente sus propiedades a la fractura; el LSP provoca un cambio en la razón

de crecimiento de grieta por fatiga, ésta disminuye al aumentar la densidad de pulsos.

Por otro lado el LSP no provoca un cambio significativo en las propiedades del acero al

carbono 1045.

Se observa que cuanto mayor es la densidad de pulsos mayor es el esfuerzo residual de

compresión inducido por LSP en el acero inoxidable dúplex 2205. Se observa que LSP

reduce el crecimiento de grietas por fatiga y aumenta la tenacidad a la fractura de este

acero. La microestructura no se ve afectada por LSP, las fases de ferrita y austenita no

se alteran por el LSP.

La razón de desgaste también es mejorada mediante el LSP. Esto es debido al campo de

esfuerzos residuales a compresión inducido en la superficie. Al aumentar la densidad

de pulsos de LSP se reduce la razón de desgaste en las probetas de aleación de aluminio

6061-T6. La razón de desgaste se redujo 68% usando una densidad de pulsos de 5000

pul/cm2.

Se demostró que la estabilidad del campo de esfuerzos residuales inducido por LSP es

afectada por carga cíclica y las altas temperaturas. El porcentaje de relajación

provocado por la acción de la temperatura es mayor que el presentado por el solo

incremento del esfuerzo.

Se demostró que el LSP puede ser un buen complemento de la expansión en frío para la

mejora de la vida de fatiga de los componentes metálicos con orificios. El efecto

benéfico de la expansión en frío es principalmente en el aumento de la vida por fatiga

para el inicio de nuevas grietas, mientras que la ventaja de la LSP es principalmente en

la reducción de la tasa de crecimiento de grietas existentes.

Se demostró que el LSP extiende la vida por fatiga de componentes con ranuras con y

sin daño previo por fatiga. Se observó que el LSP extiende el inicio de grietas por fatiga

hasta en un 58% en especímenes con ranuras y con daño previo,




,45

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