Comparison of the thermoelastic phenomenon expressions in stainless steels during cyclic loading

Comparación de las expresiones del fenómeno termoelástico en aceros inoxidables durante la carga cíclica

El objetivo principal de este trabajo es comparar la tensión termoelástica en probetas de acero inoxidable. Como probetas de material elegimos acero inoxidable de los tipos AISI 304, AISI 316Ti y AISI 316L. Las probetas se sometieron a cargas cíclicas de flexión en tres puntos. Todo el proceso se grabó con una cámara de infrarrojos. Las diferencias térmicas que se produjeron durante la prueba se evaluaron basándose en las ecuaciones de tensión termoelástica. Posteriormente, se compararon las distribuciones de tensiones en las probetas para los distintos tipos de acero inoxidable.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día, la combinación de numerosos detectores infrarrojos o sensores térmicos con un procesamiento avanzado de señales genera una herramienta práctica para investigar las características de tensión térmica de materiales y estructuras desde la superficie o parte del espacio correspondiente.

Los ingenieros y científicos llevan más de 50 años utilizando el análisis termoelástico de tensiones para resolver problemas prácticos. Utiliza el principio de detección de la energía liberada durante la carga en el dominio elástico. Una vez eliminada la carga, el cuerpo vuelve a su posición original (elasticidad) y a su temperatura original (termoelasticidad) [1].

TERMOELASTICIDAD Y VARIACIÓN DISIPATIVA DE LA TEMPERATURA

El análisis termoelástico de tensiones (TSA) es un método experimental sin contacto basado en la medición de la radiación infrarroja emitida por la superficie del componente expuesto a una tensión elástica lineal dinámica (deformación). Kelvin fue el primer científico que estudió el efecto termoelástico, y las ecuaciones básicas para describir el efecto termoelástico [2] fueron formuladas por Darken y Curry.

La forma general de la ecuación de conducción del calor para un cuerpo elástico se deriva de la ecuación de conservación de la energía, y puede escribirse de la siguiente manera:

​$\rho c_{\epsilon }\frac{dT}{dt}-\frac{\partial }{\partial x_j}\left(k\frac{\partial T}{\partial x_j}\right)=\rho r+{\sigma }_{ij}\frac{\partial {\epsilon }_{ij}}{\partial t}-$

$-\rho \frac{\partial \psi }{\partial V_k}\frac{d{V}_k}{dt}+\rho T\frac{{\partial }^2\psi }{\partial T\partial V_k}\frac{d{V}_k}{dt}$             (1)​

La ecuación (1) utiliza la convención de suma de Einstein, ρ es la densidad, c_ε es la capacidad calorífica específica a deformación constante, T es la temperatura absoluta, k es el tensor de conductividad térmica, σ_ij y ε_ij son los tensores de tensión y deformación, ε_ij es la fuente de calor interna por unidad de volumen y ψ es la energía libre de Helmholtz que depende de k y es independiente de las variables de estado interno V_k.