Peening: Técnica de endurecimiento superficial para un mejor rendimiento del acero

Definición y concepto básico

El granallado es un proceso de tratamiento mecánico de superficies que consiste en bombardear una superficie metálica con pequeñas partículas o herramientas de alta velocidad para inducir tensiones residuales de compresión en la capa superficial del material. Esta técnica de trabajo en frío deforma plásticamente la superficie sin eliminar material, creando una capa endurecida por deformación que mejora la resistencia a la fatiga y la corrosión bajo tensión.

El granallado es una técnica de posprocesamiento crucial en la ingeniería de materiales que modifica las propiedades superficiales sin alterar la composición del material. La deformación controlada genera cambios beneficiosos en las propiedades mecánicas que prolongan la vida útil de los componentes en aplicaciones exigentes.

En el campo más amplio de la metalurgia, el granallado se destaca como un método destacado de ingeniería de superficies, junto con el recubrimiento, el enchapado y los tratamientos térmicos. Ejemplifica cómo el procesamiento mecánico puede alterar fundamentalmente el rendimiento del material mediante modificaciones microestructurales en lugar de cambios químicos.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el granallado crea una deformación plástica localizada en las capas superficiales del metal. La energía de impacto del medio de granallado provoca el movimiento y la multiplicación de dislocaciones dentro de la red cristalina, lo que aumenta la densidad de dislocaciones cerca de la superficie.

Este proceso crea un gradiente de deformación plástica que disminuye con la profundidad desde la superficie. La capa superficial intenta expandirse lateralmente debido a esta deformación plástica, pero se ve limitada por el material subsuperficial no deformado, lo que genera tensiones residuales de compresión.

El campo de tensiones de compresión contrarresta las tensiones de tracción aplicadas durante el servicio, aumentando eficazmente el umbral necesario para la formación y propagación de grietas. Simultáneamente, se produce endurecimiento por acritud a medida que las dislocaciones interactúan e impiden el movimiento posterior, aumentando así la dureza superficial.

Modelos teóricos

El modelo de intensidad de Almen sirve como marco teórico principal para cuantificar la intensidad del granallado. Desarrollado por John Almen en la década de 1940 mientras trabajaba en General Motors, este modelo mide la altura del arco de tiras de prueba estandarizadas sometidas al granallado como medida indirecta de la tensión de compresión inducida.

La comprensión histórica del granallado evolucionó desde observaciones empíricas en herrería hasta modelos cuantitativos a principios del siglo XX. La base científica se estableció durante la Segunda Guerra Mundial, cuando estudios sistemáticos revelaron los beneficios del granallado para la durabilidad de los componentes aeronáuticos.

Los enfoques modernos incluyen el modelado de elementos finitos (MEF) para predecir los perfiles de tensión residual y simulaciones de impacto dinámico que consideran las propiedades del material, la velocidad de impacto y las características del medio. Estos modelos computacionales complementan las mediciones tradicionales de intensidad de Almen.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

Los efectos de granallado están estrechamente relacionados con la estructura cristalina, ya que las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) y las cúbicas centradas en las caras (FCC) responden de forma diferente debido a sus distintos sistemas de deslizamiento y características de endurecimiento por acritud. Los límites de grano actúan como barreras al movimiento de dislocación, lo que influye en la profundidad y la magnitud de la capa de tensión de compresión.

La microestructura determina la eficacia del granallado, ya que los materiales de grano fino suelen desarrollar capas de tensión de compresión más uniformes que sus homólogos de grano grueso. La composición de fases en los aceros multifásicos afecta el comportamiento de la deformación local, creando patrones complejos de tensión residual.

El granallado ejemplifica principios fundamentales de la ciencia de los materiales, como el endurecimiento por acritud, la deformación elastoplástica y el desarrollo de tensiones residuales. El proceso aprovecha la capacidad del material para endurecerse por deformación manteniendo la estabilidad dimensional, lo que demuestra cómo la deformación controlada puede mejorar el rendimiento.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La relación fundamental que rige el desarrollo de la tensión residual durante el granallado se puede expresar como:

$$\sigma_r(z) = E \cdot \varepsilon_p(z) \cdot \left(1 - \frac{z}{h}\right)$$

Donde $\sigma_r(z)$ es la tensión residual en la profundidad $z$, $E$ es el módulo de Young, $\varepsilon_p(z)$ es la deformación plástica en la profundidad $z$ y $h$ es la profundidad total de la capa afectada.

Fórmulas de cálculo relacionadas

La intensidad de Almen (I) se puede calcular utilizando la medición de la altura del arco:

$$I = \frac{h_a}{t^2} \cdot k$$

Donde $h_a$ es la altura del arco medida, $t$ es el espesor de la tira de Almen y $k$ es una constante de calibración que depende del tipo de tira.

El porcentaje de cobertura (C) en el shot peening sigue una relación exponencial:

$$C = 100 \cdot (1 - e^{-A \cdot t})$$

Donde $A$ es una constante relacionada con el tamaño y la velocidad del granallado, y $t$ es el tiempo de granallado. Esta fórmula ayuda a determinar el tiempo necesario para alcanzar un nivel de cobertura específico.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos matemáticos asumen propiedades homogéneas del material y comportamiento isotrópico, lo cual podría no ser válido para materiales altamente texturizados o anisotrópicos. Las fórmulas pierden precisión en geometrías complejas con concentración de tensiones.

Las condiciones de contorno asumen que la deformación plástica solo ocurre cerca de la superficie, mientras que el material en masa permanece elástico. Esta suposición no es válida para componentes delgados, donde los efectos a través del espesor se vuelven significativos.

Los modelos generalmente suponen condiciones de temperatura ambiente y pueden requerir modificaciones para aplicaciones de temperatura elevada donde la relajación de las tensiones residuales ocurre más rápidamente.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

SAE J442: Tira de prueba, soporte y calibre para granallado: define tiras de prueba estándar y procedimientos de medición para determinar la intensidad del granallado.

SAE J443: Procedimientos para el uso de tiras de prueba de granallado estándar: establece procedimientos para desarrollar curvas de saturación y determinar valores de intensidad.

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. Cubre los métodos de difracción de rayos X para la medición de la tensión residual.

ISO 26203-2: Materiales metálicos. Ensayos de tracción a altas velocidades de deformación. Especifica métodos para ensayos dinámicos de materiales relevantes para procesos de granallado.

Equipos y principios de prueba

Los medidores Almen miden la altura del arco de las tiras de prueba estandarizadas con una precisión típica de 0,001 mm. Estos dispositivos utilizan indicadores de carátula o micrómetros digitales para cuantificar la curvatura inducida por el proceso de granallado.

El equipo de difracción de rayos X mide la deformación reticular a través del desplazamiento de picos, lo que permite la determinación no destructiva de tensiones residuales a profundidades de aproximadamente 5-50 μm dependiendo del material y la fuente de radiación.

Los métodos de perforación de orificios con galgas extensométricas implican la perforación gradual de pequeños orificios mientras se mide el alivio de tensión con galgas extensométricas de roseta. Esta técnica semidestructiva permite medir perfiles de tensión residual a profundidades de aproximadamente 1-2 mm.

Requisitos de muestra

Las tiras estándar de Almen están disponibles en tres espesores: N (0,79 mm), A (1,29 mm) y C (2,38 mm), con dimensiones de 76 mm × 19 mm. El material de la tira debe ser acero para resortes SAE 1070 con requisitos de dureza específicos.

La preparación de la superficie suele requerir limpieza para eliminar contaminantes, pero debe evitar alterar el estado de tensión residual. Para mediciones de difracción de rayos X, puede ser necesario el electropulido para el perfilado de profundidad.

Las muestras deben ser representativas de la geometría real del componente y del estado del material. Para piezas complejas, podrían requerirse accesorios especializados para garantizar un tratamiento de granallado uniforme.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan a temperatura ambiente (20-25 °C) con humedad controlada para evitar la oxidación repentina de las superficies recién granalladas. Para aplicaciones especializadas, podrían ser necesarias pruebas a temperatura de servicio.

La velocidad de disparo suele oscilar entre 20 y 100 m/s, según la aplicación, y se requiere un control preciso para obtener resultados reproducibles. Los caudales de los medios deben calibrarse y mantenerse durante todo el proceso de prueba.

Se deben especificar y controlar el ángulo de granallado, la distancia de la boquilla a la superficie y el porcentaje de cobertura. La cobertura se verifica generalmente mediante métodos de trazadores fluorescentes o examen microscópico.

Proceso de datos

La recopilación de datos primarios implica la medición de múltiples tiras de Almen con tiempos de exposición crecientes para desarrollar curvas de saturación. Se requieren al menos cuatro tiempos de exposición, con tres tiras analizadas en cada punto.

El análisis estadístico incluye el cálculo de valores medios y desviaciones típicas para las alturas de arco. El punto de saturación se determina como el tiempo de exposición donde, al duplicarlo, la altura del arco no aumenta más del 10 %.

Los valores de intensidad final se informan como la altura del arco en el punto de saturación, seguida del tipo de tira (por ejemplo, 0,012 A indica una altura de arco de 0,012 pulgadas utilizando una tira A).

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (intensidad de Almen)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono	0,006-0,012 A	Medio de microesferas de vidrio estándar, ángulo de 45°	SAE J442/J443
Acero al carbono medio	0,010-0,016 A	Granalla de acero fundido, ángulo de 90°	SAE J442/J443
Acero para resortes con alto contenido de carbono	0,014-0,024 A	Corte de alambre, ángulo de 90°	SAE J442/J443
Acero inoxidable	0,012-0,020 A	Granalla de acero inoxidable, ángulo de 45-90°	SAE J442/J443

Las variaciones dentro de cada clasificación de acero se deben principalmente a las diferencias en dureza y al historial de procesamiento previo. Los materiales más blandos suelen requerir intensidades menores para evitar una deformación excesiva y, al mismo tiempo, lograr perfiles óptimos de tensión de compresión.

En aplicaciones prácticas, estos valores sirven como puntos de partida que deben validarse mediante pruebas de fatiga de componentes reales. Valores más altos generalmente proporcionan capas de compresión más profundas, pero si son excesivos, pueden causar daños superficiales.

Una tendencia notable muestra que los aceros con mayor contenido de carbono generalmente reciben tratamientos de granallado más intensos para superar sus mayores límites de rendimiento y lograr profundidades de tensión de compresión adecuadas.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros incorporan los efectos del granallado en los cálculos de la vida útil por fatiga aplicando factores de modificación de tensiones que consideran las tensiones residuales de compresión beneficiosas. Estos factores suelen oscilar entre 1,2 y 2,5, dependiendo de las condiciones de carga y del material.

Los factores de seguridad de los componentes granallados a menudo se reducen en comparación con sus equivalentes no granallados, normalmente de 2,5-3,0 a 1,5-2,0, lo que refleja una mejor confiabilidad y previsibilidad del rendimiento frente a la fatiga.

Las decisiones de selección de materiales consideran cada vez más la "granallabilidad": la eficacia con la que un material responde al tratamiento de granallado. Los materiales con buenas características de endurecimiento por deformación, como los aceros inoxidables austeníticos, suelen mostrar las mejoras más significativas.

Áreas de aplicación clave

Los componentes aeroespaciales, en particular las piezas de motores de turbina, dependen en gran medida del granallado para resistir la fatiga de alto ciclo en componentes rotatorios críticos. Los álabes del compresor, los discos de turbina y los componentes del tren de aterrizaje se benefician de esta mayor resistencia a la fatiga.

Los componentes de suspensión y tren motriz de automóviles representan otra área de aplicación importante, con diferentes requisitos centrados en el procesamiento rentable de piezas de gran volumen. Resortes, bielas y cigüeñales suelen someterse a granallado para prolongar su vida útil.

Los implantes médicos, en particular los dispositivos ortopédicos, utilizan granallado para mejorar la resistencia a la fatiga y crear superficies texturizadas que promueven la osteointegración. La rugosidad controlada de la superficie proporciona las condiciones ideales para la fijación de las células óseas.

Compensaciones en el rendimiento

La rugosidad superficial aumenta con la intensidad del granallado, lo que crea un equilibrio entre el rendimiento a la fatiga y las características de fricción/desgaste. Los componentes que requieren resistencia a la fatiga y superficies lisas pueden requerir operaciones de acabado adicionales.

La estabilidad dimensional puede verse comprometida por un granallado agresivo, especialmente en secciones delgadas o componentes de precisión. Las tensiones de compresión inducidas pueden causar una ligera deformación que requiere operaciones de enderezamiento posteriores al granallado.

Los ingenieros deben equilibrar el coste del procesamiento con las ventajas de rendimiento, especialmente en la producción a gran escala. El tiempo de procesamiento adicional y los requisitos de equipo deben justificarse por una mayor vida útil de los componentes o un menor consumo de material.

Análisis de fallos

La cobertura incompleta representa un modo de fallo común relacionado con el granallado, creando "puntos blandos" donde pueden iniciarse grietas por fatiga. Estas áreas carecen de la capa protectora de tensión de compresión y se convierten en sitios predisponentes para la nucleación de grietas.

El mecanismo de falla generalmente progresa desde la iniciación de una grieta superficial en regiones no granalladas o con un granallado insuficiente, seguida por la propagación de la grieta a través de la capa de compresión hasta el núcleo de tracción y, finalmente, una fractura rápida una vez que la grieta alcanza un tamaño crítico.

Las estrategias de mitigación incluyen la implementación de métodos robustos de verificación de cobertura utilizando trazadores fluorescentes o sistemas de visión automatizados, estableciendo requisitos mínimos de cobertura (normalmente 98-100%) y empleando múltiples pasadas de granallado desde diferentes ángulos para geometrías complejas.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta significativamente la respuesta al granallado, ya que los aceros con alto contenido de carbono desarrollan capas de tensión de compresión más profundas debido a su mayor capacidad de endurecimiento por acritud. Sin embargo, los aceros con muy alto contenido de carbono pueden ser susceptibles al agrietamiento superficial si el granallado es demasiado intenso.

El cromo y el níquel mejoran la eficacia del granallado en aceros inoxidables al promover estructuras austeníticas estables con excelentes características de endurecimiento por acritud. Estos elementos ayudan a mantener la capa de tensión de compresión a temperaturas elevadas.

La optimización de la composición suele implicar equilibrar la resistencia, la ductilidad y la velocidad de endurecimiento por acritud. Los elementos de microaleación, como el vanadio y el niobio, pueden refinar la estructura del grano, mejorando así la uniformidad de la capa granallada.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano más finos generalmente producen resultados de granallado más uniformes con capas de tensión de compresión más profundas. Los numerosos límites de grano proporcionan barreras al movimiento de dislocación, lo que mejora la eficiencia del endurecimiento por acritud.

La distribución de fases en aceros de doble fase genera respuestas complejas al granallado, donde la ferrita, más blanda, se deforma con mayor facilidad que la martensita, más dura. Esta deformación diferencial puede generar gradientes de tensión beneficiosos, pero requiere un control minucioso del proceso.

Las inclusiones y los defectos actúan como concentradores de tensiones durante el granallado, lo que podría reducir los beneficios de la fatiga. Los aceros de alta limpieza suelen mostrar respuestas más consistentes y beneficiosas a los tratamientos de granallado.

Influencia del procesamiento

El tratamiento térmico previo al granallado establece la microestructura y la dureza de referencia que determinan la respuesta al granallado. Las estructuras templadas y revenidas suelen presentar combinaciones óptimas de resistencia y ductilidad para aplicaciones de granallado.

El trabajo en frío previo al granallado generalmente reduce la eficacia del granallado posterior debido a la menor capacidad de endurecimiento por acritud restante. Pueden ser necesarios tratamientos de recocido o de alivio de tensiones antes del granallado de materiales previamente trabajados.

Las velocidades de enfriamiento durante el tratamiento térmico influyen en el tamaño del grano y la distribución de fases, lo que afecta directamente la respuesta al granallado. Los procesos de enfriamiento controlados que producen microestructuras finas y uniformes generalmente producen los mejores resultados de granallado.

Factores ambientales

Las temperaturas elevadas durante el servicio pueden provocar la relajación de las tensiones de compresión inducidas por el granallado, especialmente por encima de 0,4 veces la temperatura de fusión del material (en Kelvin). Este efecto se acelera con el aumento de la temperatura.

Los entornos corrosivos pueden penetrar la superficie granallada rugosa con mayor facilidad, lo que podría provocar fatiga por corrosión. A menudo se requieren recubrimientos protectores o aleaciones resistentes a la corrosión para los componentes granallados en entornos agresivos.

La relajación de la tensión se produce con el tiempo, incluso a temperatura ambiente, aunque a un ritmo mucho menor que a temperaturas elevadas. Las aplicaciones críticas pueden requerir un repintado periódico o tener en cuenta esta relajación en los cálculos de diseño.

Métodos de mejora

El doble granallado aplica dos tratamientos secuenciales: primero con un abrasivo de mayor tamaño y mayor intensidad, seguido de un abrasivo de menor tamaño y menor intensidad. Esto crea un perfil de tensión optimizado con máxima tensión de compresión superficial y una capa afectada más profunda.

El granallado en caliente, realizado a temperaturas moderadamente elevadas (150-300 °C), mejora la movilidad de las dislocaciones y puede producir capas de tensión de compresión más profundas con una rugosidad superficial reducida en comparación con el granallado a temperatura ambiente convencional.

El granallado ultrasónico utiliza vibración de alta frecuencia para mejorar el efecto de impacto, produciendo una cobertura más uniforme y capas de tensión de compresión potencialmente más profundas con requisitos de velocidad del medio reducidos.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El granallado se refiere específicamente al granallado con medios esféricos (normalmente acero, vidrio o cerámica), que representa el método industrial más común. El impacto controlado de estas partículas crea la capa de tensión de compresión beneficiosa.

El granallado bajo tensión implica la aplicación de una tensión de tracción elástica a los componentes durante el proceso, lo que da como resultado tensiones de compresión más profundas y de mayor magnitud después de que se elimina la carga aplicada.

El granallado láser utiliza pulsos láser de alta energía para generar plasma y ondas de choque que inducen tensiones de compresión sin contacto físico con el medio. Esta técnica produce capas de compresión más profundas que el granallado convencional.

Normas principales

SAE AMS2430: Granallado automático: esta completa especificación de material aeroespacial detalla los requisitos para equipos, medios, control de procesos y garantía de calidad en operaciones automatizadas de granallado.

ISO 26802: Materiales metálicos - Granallado - Determinación de la cobertura del granallado - Proporciona métodos estandarizados para medir y verificar la cobertura del granallado utilizando diversas técnicas, incluida la inspección visual y el análisis de imágenes.

Las normas aeroespaciales nacionales como NADCAP AC7117 establecen criterios de auditoría y requisitos de certificación para procesos de granallado en aplicaciones aeroespaciales, garantizando una calidad constante en toda la cadena de suministro.

Tendencias de desarrollo

El diseño de procesos de granallado impulsado por simulación está surgiendo a medida que aumenta el poder computacional, lo que permite predecir perfiles de tensión residual basados ​​en las propiedades del material y los parámetros del proceso antes de las pruebas físicas.

Se están desarrollando tecnologías de monitoreo in situ que utilizan emisión acústica e imágenes de alta velocidad para brindar retroalimentación en tiempo real sobre la cobertura e intensidad del granallado, lo que permite un control adaptativo del proceso.

Los tratamientos de superficie híbridos que combinan el granallado con otros procesos como la nitruración o la modificación de superficie por láser son prometedores para crear superficies diseñadas con combinaciones de propiedades optimizadas más allá de lo que los tratamientos individuales pueden lograr.