Using fracture mechanics for determining residual stress fields in diverse geometries

Aplicación de la mecánica de la fractura para determinar esfuerzos residuales en diversas geometrías

El deterioro de los componentes debido a falla es un fenómeno que ha recibido constante atención por la comunidad ingenieril. Por su parte, el estudio de la nucleación y propagación de grietas o defectos se analizan principalmente según los principios científicos de la mecánica de la fractura. En este artículo se presenta un método de evaluación desarrollado a partir de la inducción de una grieta (corte) en componentes mecánicos para determinar o caracterizar el campo de esfuerzos residuales actuante. La originalidad de este trabajo resalta en la aplicación de la mecánica de la fractura, que es una ciencia dirigida a detectar la posibilidad de destrucción de un componente mediante el análisis energético de propagación de grietas y evaluación de su vida útil, lo que es utilizado como una técnica para caracterizar el efecto ocasionado por la historia de carga previa en un material. La técnica que aquí se presenta es conocida internacionalmente como método de respuesta de grieta (crack compliance method). Dicho método está fundamentado en principios de mecánica de fractura lineal elástica y fue inicialmente desarrollado por Vaidyanathan y Finnie. En este artículo se presentan tres casos de estudio —viga flexionada, tubo presurizado y probeta SEN modificada— en los cuales los especímenes fueron inducidos con campos de esfuerzos residuales. Asimismo, se presenta la manera como la aplica-ción de cargas no homogéneas introduce un campo de esfuerzos residuales, al conocer la magnitud y características de este campo es posible manipular el proceso mecánico para producir un efecto benéfico en el material.

Introducción

Desde hace varias décadas, la comunidad científica se ha dedicado a la tarea de determinar las razones y la forma en que fallan los componentes; la mecánica de la fractura surgió de esa necesidad y facilita el análisis de los fallos de los componentes en las estructuras mecánicas. El análisis de fallos tiene como objetivo determinar cómo y por qué los componentes mecánicos no cumplen con la vida útil esperada cuando se produce el agrietamiento. Se ha determinado que las causas que promueven el fallo del material son la fatiga, la sobrecarga estructural, el desgaste, la corrosión y las microfallas (Urriolagoitia-Calderon et al., 1997; HernándezGómez et al., 2009; Gilbert et al., 1994; Lu, James y Roy, 1996). Otras variables a tener en cuenta serían el tipo de aplicación del componente y los factores humanos (O´Connor et al., 2002; Kohn et al., 2010; National Research Council, 1998) como la aplicación incorrecta y el abuso, los errores de montaje, los fallos de fabricación, el mantenimiento inadecuado, los errores de diseño, la selección defectuosa de materiales, los daños ambientales y el tratamiento térmico inadecuado.