Incremento de la vida a fatiga mediante la aplicación de tensiones residuales

El incremento de la vida útil de ciertos componentes sometidos a cargas cíclicas, obliga, frecuentemente, a sobredimensionar las secciones resistentes. Esta estrategia de diseño penaliza aquellas aplicaciones en las que el volumen de material es crítico, bien sea por motivos económicos (aleaciones de alto costo) o técnicos (limitaciones dimensionales o de peso).

Para proponer soluciones avanzadas, existen alternativas que permiten reducir, de forma local, los picos de tensión sobre las zonas más críticas, evitando de este modo añadir material extra al componente en cuestión. Una forma de alcanzar este objetivo, es la de introducir tensiones residuales controladas que favorecen el reparto de cargas y alivian las secciones críticas.
 

Un caso concreto que permite visualizar la utilidad de la técnica de las tensiones residuales, es el de los recipientes y conductos sometidos a alta presión. Las superficies interiores de dichos elementos soportan tensiones elevadas, mientras que las superficies exteriores se ven sometidas a esfuerzos significativamente inferiores. El ejemplo de una tubería de radios ri=6mm y re=10mm sometida a P=500 bares de presión, es útil para llegar a visualizar el fenómeno que se describe (Figura 1); la superficie interior del conducto está sometida a esfuerzos 1,6 veces mayores que los aplicados en la cara externa del mismo. La resistencia a fatiga del componente se ve fuertemente reducida por este reparto desigual de cargas, ya que las tensiones de pico se ven incrementadas en las zonas con tracción residual.

Figura 1. Ecuación que rige el fenómeno estudiado (curva radio-tensión del ejemplo). Nótese cómo se reduce la tensión a medida que el radio se acerca al exterior del tubo.

De forma cualitativa, se puede asimilar a una pareja de excursionistas, el primero de los cuales lleva su mochila 1,6 veces más cargada que el otro y, que lógicamente, pararán cuando el más cargado se fatigue. Si quisieran aguantar más, podrían contratar un porteador (añadir material) o distribuir el peso de forma más equitativa (inducir tensiones residuales).
 

En el caso de los tubos, la redistribución de cargas se realiza mediante la aplicación de una sobrepresión inicial. De este modo, se provoca la plastificación del material en el entorno del radio interior, mientras que la corona exterior se mantiene en régimen elástico. Al retirar la sobrepresión, la sección elástica se contrae sobre la plástica, generando una compresión residual que reduce la tensión de pico en la cara interna, que es la más crítica. Aunque aplicar cierta sobrepresión se considere una técnica aparentemente simple, el control de sus efectos sobre las tensiones residuales y la evaluación de la mejora a fatiga, constituyen problemas de elevada complejidad, que al día de hoy no se encuentran debidamente justificados. 

Con el fin de ofrecer a la industria soluciones capaces de aumentar la vida a fatiga de determinados componentes, en IK4-AZTERLAN se están desarrollando, y poniendo a punto, novedosas técnicas de ensayo para el estudio y evaluación de los efectos de las sobrepresiones sobre tubos de paredes gruesas.