Ciertas piezas destinadas a los mercados más exigentesen seguridad, como pueden ser el del ferrocarril, aeronáuti-co, obras públicas y automoción, entre otros, tienen en mu-chos casos que cumplir una exigencia de control de dura-ción de vida que las hacen críticas y, por lo tanto, necesitancontroles especiales para asegurar que dicha vida se co-rresponda con la calculada en la fase de diseño. Uno deesos controles específicos es el de las tensiones residuales.

La especificación ocultaEn el proceso de fabricación de un componente siempre

es necesario cumplir una serie de especificaciones, entre lasque las tolerancias dimensionales, geométricas y superficia-les son las más reconocibles: cualquier mecanizador se pre-ocupará de conocer, junto con la geometría de la pieza a fa-bricar, las tolerancias que acompañan a cada una de sus di-mensiones y formas.Otras magnitudes le resultarán quizá menos familiares.

Estas magnitudes hacen referencia, más que a la geometríade la pieza, a características estructurales que condiciona-

rán su buen funcionamiento en la aplicación final. Nos referi-mos a hechos que ocurren en su interior como variacionesen su composición química, o a la presencia de fases anó-malas del material, resultantes del proceso de fabricación.Entre las características a tener en cuenta, destaca la

presencia de tensiones residuales internas en el material,generadas por la mayoría de las agresivas etapas del proce-so de fabricación, como puede ser el conformado, la estam-pación, el mecanizado, la electroerosión, los recubrimientos,etc.De una manera informal, podría decirse que la tensión re-

sidual es el estrés que absorbe la pieza durante su fabrica-ción, estrés que se podrá liberar con el paso del tiempo, conresultados beneficiosos o perjudiciales para el desempeñode la función a la que se la destine.En este sentido, el valor de tensión residual adecuado a

obtener en una pieza viene a ser una “especificación ocul-

Aseguramientode la vida de la pieza

Las piezas mecanizadas, al igual que las

personas, ante determinadas situaciones se

estresan y, por lo tanto, si no se consiguen los

valores adecuados no funcionan bien y pueden

ocasionar problemas. Una fuente de estrés en

las piezas mecanizadas es la tensión residual

que se produce o bien por un enfriamiento

erróneo del proceso de fundición o bien por un

proceso de mecanizado agresivo.

El control de las tensiones residuales es una garantía de calidad de pieza

Tensión residual es el estrés que absorbe la pieza

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ta”, en un doble sentido: primero,porque en muchas ocasiones no seconcreta en la información asociadaa la pieza; y en segundo, porquenada en la medición de la geome-tría final del componente permitiráprever su valor.

El efecto de lastensiones residualesLa existencia de tensiones resi-

duales da lugar a deformaciones enla pieza durante su vida útil, o a laaparición de grietas y posterior rup-tura, o a la reducción de su vida útillimitando su resistencia a la fatiga.Propiedades tan distintas como

la fractura, resistencia a tracción,estabilidad dimensional, corrosión,adherencia de recubrimientos, etc.,se ven afectadas por las tensionesresiduales existentes.

Tensión residual:el conceptoSe denomina “tensión residual”

a la tensión que existe en el materialcuando no está bajo el efecto defuerzas exteriores. Estas tensiones son la respuesta elásticadel material a una distribución no homogénea de deforma-ciones: térmicas, plásticas, transformaciones de fase, forma-ción de precipitados, gradientes de composición, etc. La es-tructura del material acumula deformaciones en distintospuntos, de tracción (demasiado estirado) o compresión (de-masiado encogido) y tenderá a compensarlas modificandosu forma y, por lo tanto, modificando su geometría.

¿Tracción o compresión?Una vez que la pieza está siendo utilizada, se verá some-

tida a tensiones adicionales externas. La tensión real que so-porta la pieza, por tanto, es la suma de la tensión externaaplicada y las tensiones internas existentes.Cuando la pieza presenta tensiones residuales de trac-

ción, de signo positivo, éstas se suman a la tensión externaaplicada, con lo que la pieza se sobrecarga. Estas tensionesresiduales son, por tanto, indeseables, porque bajan el límiteelástico del material y pueden hacer, por ejemplo, que lapieza se rompa durante su vida útil.Las tensiones residuales compresivas, negativas, por

otra parte, reducen la tensión total existente y dificultan laformación de grietas en la pieza. Procesos como el chorrea-do de granalla (shot-peening) se utilizan para conseguir ten-siones residuales de este tipo en la superficie.

Medición de las tensiones residualesEl método tradicional de medición de tensión residual en

piezas funcionales se ha basado en medir la distorsión pro-vocada en la pieza al hacer un agujero mediante el métododel taladro. Se trata de un método destructivo y con poca re-solución cuando las variaciones de tensiones residuales songrandes al alejarse de la superficie de la pieza, ya que la

distorsión total observada dependedel promedio en la zona y no da in-formación sobre el valor local.Otros métodos (ruido de Bar-

khausen, empleo de ultrasonidos,etc.) proporcionan medidas cualitati-vas válidas para control de calidaden series largas.La medición de tensiones resi-

duales se puede realizar a partir dela “difracción de rayos X” y el análisisde la compresión o expansión de laestructura del material, en equiposde laboratorio.No obstante, este método re-

quiere habitualmente un largo tiempode medida y el empleo de probetasde pequeño tamaño, lo que dificultasu aplicación en piezas acabadas,en las que sería necesario sustraeruna parte del material para realizar elanálisis, es decir que hay que dejarla pieza inservible. Hay que tener encuenta que generalmente este pro-ceso de verificación se efectúa sobrepiezas caras ya terminadas.El uso sistemas de medición ba-

sado en detectores de rayos X, per-mite una superación de las limitaciones anteriores y la medi-ción de las tensiones residuales en piezas funcionales sinnecesidad de dañar la pieza.El principio físico en que se basa es el análisis de un haz

múltiple de rayos X difractado en la superficie deformada delmaterial. La dirección en la que el haz difractado presentauna mayor intensidad se modificará en función de la defor-mación de la estructura cristalina de la superficie.En la figura inferior se ilustra la medición de tensiones re-

siduales por difracción de rayos X, izquierda material contensión residual superficial de tracción, (nodos cristalinos se-parados), derecha de contracción (nodos cristalinos próxi-mos). El método permite medir la tensión en superficie, loque es suficiente en la mayoría de los casos prácticos. Co-mo beneficio adicional al método anterior, las medidas pue-den realizarse evitando el transporte de las piezas, al utilizar-se para ello un equipo portátil.Si se requiere medir las tensiones en el interior de la pie-

za, entonces es necesario eliminar capas de material pararepetir la medición. La eliminación de material debe realizar-se sin inducir nuevas tensiones, siendo por ello ideal el em-pleo de procesos como el electropulido.En determinados casos la medición de la distribución de

tensiones en el interior del material puede compensar el da-ño producido a la pieza, ya que permite estudiar la influenciaen el resultado final tanto del material base como de los dis-tintos procesos de acabado sufridos por la pieza.

Necesidad de la determinación de lastensiones residualesLa obtención de un determinado nivel de tensión residual

en piezas funcionales es un requisito cada vez más deman-dado en la fabricación de componentes. En el caso de pie-

El control de la tensión residual garantizala calidad de la pieza

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zas críticas, resulta una magnitud fundamental para la homo-logación de las mismas o de los propios procesos de fabri-cación por las que se generan.Su determinación es ineludible al abordar la optimización

de ciertos procesos de fabricación. Entre los ejemplos deprocesos que pueden ser optimizados para minimizar loscostes de producción garantizando la calidad final de la pie-za, están: la fundición, los distintos métodos de estabilizado,el granallado, o los procesos de mecanizado (rectificado,bruñido, fresado, etc.) en un amplio abanico de metales(acero, inconel, aleaciones de aluminio o titanio).

¿Qué se puede hacer cuando existen problemas con lastensiones residuales?Las piezas que tienen problemas con las tensiones resi-

duales pueden ser mejoradas, haciendo pasar las tensionesde tracción a tensiones bajas o de compresión según seanecesario, por medio de diferentes procesos.Estos métodos se basan en procesos de vibración, ca-

lentamiento, abrasión, deformaciones plásticas superficiales(roller-burnishing), y granallado (shot-peening).

Dr. Jordi FiguerasGestor Procesos de Transformación

Dr. Javier HernándezResponsable de Planificación

y EquipamientoIdeko-IK4

La medición de tensiones residuales se puede realizar a partir de la difracción de rayos X

El método tradicional demedición es un métododestructivo y con poca

resolución

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