Tensión residual en el acero: impacto crítico en el rendimiento y la durabilidad

Definición y concepto básico

La tensión residual se refiere a las tensiones internas que existen en un material sin la aplicación de fuerzas externas ni gradientes térmicos. Estas tensiones autoequilibrantes permanecen en el material después de procesos de fabricación, tratamientos térmicos u otras operaciones que causan deformación plástica no uniforme. Las tensiones residuales pueden ser beneficiosas o perjudiciales para el rendimiento de un componente, dependiendo de su magnitud, signo y distribución.

En la ciencia e ingeniería de materiales, la tensión residual representa una de las propiedades más críticas, aunque a menudo ignoradas, que afectan el rendimiento de los componentes. Influye directamente en el comportamiento mecánico, la resistencia a la fatiga, la estabilidad dimensional y la resistencia a la corrosión de los componentes de acero. La presencia de tensiones residuales puede mejorar o comprometer la integridad estructural.

En la metalurgia, la tensión residual ocupa un lugar privilegiado en la intersección del procesamiento, la estructura y las propiedades. Actúa como un vínculo directo entre el historial de fabricación y el rendimiento en servicio, lo que la hace esencial para comprender el comportamiento holístico de los componentes de acero. La gestión adecuada de la tensión residual es fundamental para lograr el rendimiento deseado del material en aplicaciones exigentes.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel atómico, las tensiones residuales surgen de distorsiones reticulares causadas por una deformación plástica no uniforme. Estas distorsiones crean regiones localizadas donde los átomos se comprimen o estiran desde sus posiciones de equilibrio. La energía de deformación elástica resultante se almacena dentro de la microestructura del material.

Los mecanismos microscópicos que rigen la formación de tensiones residuales incluyen la acumulación de dislocaciones, las transformaciones de fase y los desajustes de expansión térmica. Las dislocaciones (defectos cristalográficos lineales) se acumulan en barreras como los límites de grano, creando campos de tensiones localizados. Las transformaciones de fase implican cambios de volumen que, al ser constreñidos, generan tensiones internas.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico para la tensión residual es la teoría de la deformación elasto-plástica, que describe cómo la deformación plástica en una región genera tensiones elásticas en las regiones adyacentes. Este modelo considera la naturaleza autoequilibrante de las tensiones residuales a lo largo de la sección transversal de un componente.

Históricamente, la comprensión de la tensión residual evolucionó desde observaciones empíricas a principios del siglo XX hasta modelos cuantitativos en la década de 1950. El trabajo pionero de investigadores como Heyn y Bauer sentó las bases para el análisis moderno de la tensión residual.

Diferentes enfoques teóricos incluyen el método de deformaciones propias, que considera las tensiones residuales como derivadas de deformaciones incompatibles, y el enfoque termodinámico, que considera la tensión residual como energía almacenada. El método de elementos finitos se ha vuelto dominante para geometrías y condiciones de carga complejas.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

Las tensiones residuales interactúan estrechamente con la estructura cristalina, especialmente en los límites de grano, donde se impide el movimiento de las dislocaciones. En los aceros cúbicos centrados en el cuerpo (BCC), estas tensiones pueden afectar significativamente la movilidad de las dislocaciones y, en consecuencia, influir en las propiedades mecánicas.

La microestructura del acero, incluyendo el tamaño del grano, la distribución de fases y la morfología del precipitado, influye directamente en los patrones de tensiones residuales. Las transformaciones martensíticas, por ejemplo, generan tensiones residuales significativas debido a la expansión de volumen durante la transformación sin difusión.

Fundamentalmente, las tensiones residuales se relacionan con los principios de elasticidad, plasticidad y termodinámica. Representan la energía elástica almacenada resultante de las restricciones durante la deformación plástica no uniforme, la contracción térmica o las transformaciones de fase.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La definición fundamental de tensión residual sigue la ecuación de tensión estándar:

$$\sigma_{res} = E \cdot \varepsilon_{res}$$

Donde $\sigma_{res}$ representa la tensión residual (MPa), $E$ es el módulo de Young (MPa) y $\varepsilon_{res}$ es la deformación elástica residual (adimensional).

Fórmulas de cálculo relacionadas

Para un componente en equilibrio estático, las tensiones residuales deben autoequilibrarse a lo largo de cualquier sección transversal:

$$\int_A \sigma_{res} \, dA = 0$$

$$\int_A \sigma_{res} \cdot y \, dA = 0$$

Donde $A$ representa el área de la sección transversal e $y$ es la distancia desde el eje neutro. Estas ecuaciones expresan las condiciones de equilibrio de fuerza y ​​momento, respectivamente.

Para tensiones residuales térmicas:

$$\sigma_{térmica} = E \cdot \alpha \cdot \Delta T \cdot \frac{1}{1-\nu}$$

Donde $\alpha$ es el coeficiente de expansión térmica (K⁻¹), $\Delta T$ es el cambio de temperatura (K) y $\nu$ es el coeficiente de Poisson.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas suponen un comportamiento elástico lineal del material y pequeñas deformaciones. Para grandes deformaciones o comportamiento plástico, se requieren modelos constitutivos más complejos.

Los modelos matemáticos tienen condiciones de contorno que requieren superficies externas libres de tensiones a menos que se apliquen cargas externas. Además, asumen homogeneidad e isotropía del material, lo cual podría no ser cierto para microestructuras complejas.

Estas formulaciones generalmente no toman en cuenta los efectos dependientes del tiempo, como la relajación del estrés o la fluencia, que se vuelven significativos a temperaturas elevadas o durante períodos prolongados.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM E837: Método de prueba estándar para determinar tensiones residuales mediante el método de galgas extensométricas de perforación de orificios
• ISO 21432: Ensayos no destructivos — Método de ensayo estándar para determinar tensiones residuales por difracción de neutrones
• ASTM E915: Método de prueba estándar para verificar la alineación de la instrumentación de difracción de rayos X para la medición de la tensión residual
• BS EN 15305: Ensayos no destructivos. Método de ensayo para el análisis de tensión residual por difracción de rayos X.

Equipos y principios de prueba

Los difractómetros de rayos X miden los cambios en el espaciamiento reticular atómico causados ​​por tensiones residuales. Esta técnica no destructiva utiliza la ley de Bragg para detectar cambios en los picos de difracción inducidos por la deformación.

Los sistemas de perforación implican la creación de un pequeño orificio en el material mientras se mide la liberación de tensión resultante con galgas extensométricas. Las deformaciones medidas se convierten en tensiones mediante la teoría de la elasticidad.

Las técnicas avanzadas incluyen la difracción de neutrones, que ofrece una penetración más profunda que los rayos X, y la difracción de sincrotrón, que proporciona una alta resolución espacial para mapear campos de estrés complejos.

Requisitos de muestra

Las muestras estándar para difracción de rayos X requieren superficies planas y lisas con una rugosidad típicamente inferior a Ra 0,8 μm. La preparación de la superficie suele implicar electropulido para eliminar las tensiones inducidas por el mecanizado.

Para los métodos de perforación, el espesor de la muestra debe ser al menos 1,2 veces el diámetro del orificio. Para una correcta fijación del extensómetro, se requiere una planitud superficial de 0,05 mm.

Las muestras deben ser representativas del componente real y mantener la tensión residual original durante la preparación. Las operaciones de corte deben controlarse cuidadosamente para evitar la introducción de tensiones adicionales.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan generalmente a temperatura ambiente (23 ± 5 °C) con una humedad relativa inferior al 80 % para garantizar la estabilidad de la medición. Para estudios que dependen de la temperatura, se requiere un equipo especializado que mantenga una estabilidad de ± 1 °C.

Para la perforación de pozos incrementales, las velocidades de perforación estándar varían de 0,1 a 0,2 mm/min con turbinas de alta velocidad (>20 000 RPM) para minimizar las tensiones inducidas por la perforación.

Los parámetros críticos incluyen el tiempo de exposición a rayos X (normalmente de 5 a 30 segundos por ángulo), los ángulos de difracción (determinados por la estructura cristalina del material) y la profundidad de medición (desde la superficie hasta varios milímetros según la técnica).

Proceso de datos

La recopilación de datos primarios implica la medición de las posiciones de los picos de difracción o las respuestas de las galgas extensométricas en múltiples ubicaciones o profundidades. Las mediciones múltiples suelen promediarse para reducir los errores aleatorios.

Los enfoques estadísticos incluyen el ajuste por mínimos cuadrados de las gráficas sen²ψ para datos de difracción de rayos X y cálculos mediante métodos integrales para mediciones de perforación de pozos. El análisis de incertidumbre generalmente sigue los principios de la Guía para la Expresión de la Incertidumbre en la Medición (GUM).

Los valores finales de tensión residual se calculan a partir de datos brutos mediante ecuaciones de elasticidad, considerando propiedades del material como el módulo de Young y el coeficiente de Poisson. Los perfiles de profundidad se construyen mediante mediciones incrementales o inversiones matemáticas.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (normalizado)	-50 a +100 MPa	Medición de superficie, temperatura ambiente	ASTM E837
Acero de aleación templado y revenido	-300 a +500 MPa	1 mm de profundidad, temperatura ambiente	ISO 21432
Acero cementado y endurecido	-800 a -200 MPa (superficie)	Profundidad de la caja 1-2 mm, difracción de rayos X	ASTM E915
Acero estructural soldado	+100 a +600 MPa (ZAT)	Cerca de la punta de la soldadura, temperatura ambiente	BS EN 15305

Las variaciones dentro de cada clasificación dependen principalmente del historial de procesamiento, el espesor de la sección y las velocidades de enfriamiento. Las secciones más gruesas suelen presentar valores de tensión residual más bajos debido a un enfriamiento más uniforme.

En aplicaciones prácticas, las tensiones residuales superficiales de compresión (valores negativos) suelen ser beneficiosas para el rendimiento a la fatiga y la resistencia a la corrosión bajo tensión. Las tensiones residuales de tracción (valores positivos) suelen reducir el rendimiento del componente.

Un patrón notable en los distintos tipos de acero es que un procesamiento térmico o mecánico más riguroso generalmente produce tensiones residuales de mayor magnitud. Los procesos que implican transformaciones de fase, como el temple o la soldadura, generan campos de tensiones residuales particularmente significativos.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros incorporan los efectos de las tensiones residuales mediante la superposición con las tensiones aplicadas, especialmente en componentes críticos para la fatiga. Las tensiones residuales superficiales de compresión se suelen introducir deliberadamente para mejorar el rendimiento frente a la fatiga.

Los factores de seguridad suelen oscilar entre 1,2 y 2,0 cuando se tienen en cuenta las tensiones residuales, y se utilizan valores más altos cuando las distribuciones de tensiones residuales contienen una incertidumbre significativa o cuando los factores ambientales pueden provocar la relajación de las tensiones.

Las decisiones de selección de materiales consideran cada vez más la sensibilidad a la tensión residual, en particular en componentes sujetos a corrosión bajo tensión o con requisitos de estabilidad dimensional. Se pueden preferir aceros con coeficientes de expansión térmica más bajos o características de transformación más uniformes.

Áreas de aplicación clave

En los sistemas de propulsión de automóviles, las tensiones residuales afectan críticamente el rendimiento a la fatiga de cigüeñales y bielas. Las tensiones residuales de compresión controladas, obtenidas mediante granallado o bruñido por rodillos, pueden aumentar la resistencia a la fatiga entre un 30 % y un 50 %.

La fabricación de recipientes a presión depende en gran medida de la gestión de tensiones residuales, especialmente en componentes de paredes gruesas. El tratamiento térmico posterior a la soldadura reduce las tensiones residuales de tracción perjudiciales que, de otro modo, podrían provocar fallos prematuros.

Las operaciones de mecanizado de precisión deben tener en cuenta la redistribución de la tensión residual durante la eliminación de material. Los componentes aeroespaciales, los implantes quirúrgicos y las aplicaciones de herramientas requieren un control minucioso de la tensión residual para mantener la estabilidad dimensional y el rendimiento.

Compensaciones en el rendimiento

Las tensiones residuales presentan una relación compleja con la dureza. Los procesos que aumentan la dureza (como el temple) suelen introducir tensiones residuales elevadas, lo que requiere un equilibrio cuidadoso para lograr ambas propiedades simultáneamente.

La tenacidad y la tensión residual presentan otro compromiso crítico. Las tensiones residuales de gran magnitud pueden reducir la tenacidad a la fractura, especialmente en aceros de alta resistencia, lo que requiere tratamientos de alivio de tensiones que pueden reducir ligeramente la resistencia.

Los ingenieros equilibran estos requisitos contrapuestos mediante secuencias de procesamiento controladas, como el temple seguido de revenido o tratamientos térmicos de alivio de tensiones. Los procesos de tratamiento superficial, como el granallado, ofrecen una mejora localizada de la tensión residual sin comprometer las propiedades generales.

Análisis de fallos

La corrosión bajo tensión es un modo de fallo común directamente relacionado con las tensiones residuales. Las tensiones residuales de tracción en las superficies de los componentes aceleran la formación y propagación de grietas en entornos corrosivos.

El mecanismo de falla generalmente comienza con corrosión localizada en los puntos de concentración de tensiones, seguida de la formación de grietas perpendiculares a la dirección principal de la tensión de tracción. La propagación de grietas continúa hasta que el campo de tensiones residuales disminuye o se produce una falla catastrófica.

Las estrategias de mitigación incluyen la introducción de tensiones residuales de compresión mediante granallado o granallado por choque láser, tratamientos térmicos de alivio de tensiones y recubrimientos resistentes a la corrosión. Las modificaciones de diseño para reducir la concentración de tensiones también resultan eficaces.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta significativamente el desarrollo de tensiones residuales debido a su influencia en la templabilidad y las características de transformación de fase. Los aceros con alto contenido de carbono suelen desarrollar tensiones residuales más severas durante el temple.

Los oligoelementos como el boro mejoran la templabilidad y, en consecuencia, afectan las tensiones residuales inducidas por la transformación. El azufre y el fósforo pueden generar concentraciones localizadas de tensiones en las inclusiones.

Los enfoques de optimización de la composición incluyen adiciones controladas de elementos de aleación como molibdeno y cromo para modificar la cinética de transformación, lo que permite un desarrollo de tensión más uniforme durante el tratamiento térmico.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano más finos generalmente resultan en distribuciones de tensión residual más uniformes, pero con valores pico potencialmente más altos. El aumento del área límite de grano proporciona más barreras al movimiento de dislocación.

La distribución de fases afecta dramáticamente los patrones de tensión residual, y los aceros multifásicos exhiben campos de tensión complejos debido a diferentes coeficientes de expansión térmica y deformaciones de transformación entre fases.

Las inclusiones no metálicas actúan como concentradores de tensiones, creando picos localizados de tensión residual que pueden iniciar grietas por fatiga. Las prácticas modernas de acero limpio minimizan estos efectos mediante una mejor desoxidación y desulfuración.

Influencia del procesamiento

El tratamiento térmico influye profundamente en el desarrollo de tensiones residuales. El temple rápido genera gradientes térmicos pronunciados y transformaciones de fase no uniformes, lo que resulta en tensiones residuales elevadas. El enfriamiento controlado reduce estos efectos.

Los procesos de trabajo mecánico, como el laminado, la forja y el trefilado, introducen tensiones residuales direccionales. El trabajo en frío suele generar tensiones residuales de mayor magnitud que el trabajo en caliente debido a la ausencia de recuperación dinámica.

Las velocidades de enfriamiento afectan críticamente la magnitud y distribución de la tensión residual. El enfriamiento asimétrico crea gradientes térmicos que se traducen en tensiones residuales, mientras que el enfriamiento uniforme minimiza estos efectos.

Factores ambientales

Las temperaturas elevadas aceleran la relajación de la tensión residual mediante mecanismos de ascenso y deslizamiento por dislocación. Una relajación significativa comienza aproximadamente al 40 % de la temperatura absoluta de fusión.

Los entornos corrosivos pueden interactuar con tensiones residuales para acelerar el agrietamiento por corrosión bajo tensión, particularmente en entornos que contienen cloruro para aceros inoxidables austeníticos.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen el envejecimiento natural, en el que las tensiones residuales disminuyen gradualmente mediante ajustes microestructurales. Este efecto es significativo en componentes de precisión que requieren estabilidad dimensional a largo plazo.

Métodos de mejora

El recocido por alivio de tensiones representa un método metalúrgico fundamental para la reducción de tensiones residuales. Los tratamientos típicos consisten en mantener la temperatura a 550-650 °C en aceros al carbono, lo que permite el movimiento de dislocaciones sin cambios microestructurales significativos.

El granallado introduce tensiones residuales de compresión beneficiosas en las capas superficiales mediante deformación plástica controlada. El proceso puede aumentar la resistencia a la fatiga entre un 200 % y un 300 % en componentes críticos.

Las consideraciones de diseño para la optimización de la tensión residual incluyen transiciones de sección graduales para minimizar las concentraciones de tensión, diseños simétricos para equilibrar las tensiones térmicas y la selección adecuada de materiales en función de las características de transformación.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La relajación de la tensión describe la disminución temporal de la magnitud de la tensión residual bajo una deformación constante, especialmente a temperaturas elevadas. Este fenómeno sigue patrones de decaimiento logarítmico o exponencial en función de la temperatura.

La distorsión se refiere a los cambios dimensionales macroscópicos resultantes de la redistribución de la tensión residual durante los procesos de fabricación. Representa la manifestación física de los efectos de la tensión residual en la geometría del componente.

El factor de intensidad de tensión caracteriza la magnitud del campo de tensión cerca de la punta de una grieta e interactúa directamente con las tensiones residuales. La superposición de las tensiones aplicadas y residuales determina la intensidad de tensión efectiva y el comportamiento de propagación de la grieta.

Estos términos forman un marco interconectado para comprender cómo las tensiones residuales se desarrollan, se manifiestan y afectan el rendimiento de los componentes a lo largo del ciclo de vida de fabricación y servicio.

Normas principales

La norma ASTM E1928 proporciona procedimientos estandarizados para la medición de la tensión residual en tuberías y recipientes de gran diámetro mediante el método de perforación. Aborda los desafíos específicos de las geometrías curvas y los componentes de paredes gruesas.

La norma EN 13445 (Directiva europea sobre equipos a presión) incluye disposiciones específicas para la gestión de la tensión residual en recipientes a presión, incluidos requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura y pautas de fabricación.

Existen diferencias significativas entre las normas en cuanto a profundidades de medición, métodos de interpretación de datos y procedimientos de calibración. Las normas ASTM suelen proporcionar una guía de procedimiento más detallada, mientras que las normas ISO ofrecen marcos conceptuales más amplios.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en técnicas no destructivas de medición de tensiones residuales volumétricas, incluyendo avances en la difracción de neutrones y mejoras en el método de contorno. Estos enfoques permiten el mapeo tridimensional de tensiones sin destruir componentes.

Las tecnologías emergentes incluyen modelos integrados de proceso, microestructura y propiedades que predicen el desarrollo de tensiones residuales durante la fabricación. Los gemelos digitales que incorporan la evolución de las tensiones residuales permiten la optimización virtual de procesos.

Los desarrollos futuros probablemente incluirán la monitorización de la tensión residual en tiempo real durante la fabricación, procedimientos estandarizados para geometrías complejas y una mejor comprensión de la estabilidad de la tensión residual en condiciones de servicio. La fabricación aditiva presenta desafíos y oportunidades particulares para la gestión de la tensión residual.