Distribución y evolución de tensiones residuales en materiales compuestos de matriz metálica

Resumen

La presencia de tensiones residuales juega un papel primordial en el diseño y fabricación actual de componentes de ingeniería. Su generación, por la mayoría de técnicas de procesado, tales como, conformado, mecanizado, soldadura, etc. se conoce desde hace tiempo. El objetivo de este trabajo es alcanzar, desde un punto de vista experimental, un conocimiento más profundo del modo en que las tensiones residuales, generadas por temple, se distribuyen a lo largo de un material y evolucionan con tratamientos termo mecánicos. Así mismo, del modo en que la matriz metálica de un material compuesto con refuerzo cerámico acomoda el desajuste térmico y mecánico inducido por la presencia de una segunda fase de refuerzo. Además, se tendrá en cuenta cómo factores, tales como el tipo de aleación, la microestructura, el tipo de refuerzo o incluso el proceso de fabricación pueden afectar a la distribución de tensiones residuales. Los modelos de análisis por elementos finitos son capaces de predecir mapas útiles de tensión residual macroscópica. Sin embargo, los resultados obtenidos mediante técnicas de medida tradicionales no corroboran estas predicciones de forma suficientemente precisa. El planteamiento se complica cuando entra en juego la tensión residual microscópica, la que se genera como consecuencia de la presencia de segundas fases. Este es el caso de los Materiales compuestos de Matriz Metálica. Para ello, se ha realizado una caracterización completa y comparativa de tres Materiales Compuestos de Matriz Aluminio con Refuerzo Discontinuo, y las tres aleaciones sin reforzar. Por un lado, se han investigado la microestructura, los Coeficientes de Expansión Térmica y las Propiedades Mecánicas (dureza, tracción compresión y endurecimiento), con diferentes tratamientos de envejecimiento y recocido. Por otro lado, se ha investigado la distribución de la tensión residual generada en muestras cilíndricas por efecto de un temple mediante técnicas de difracción de Neutrones y de Radiación de Sincrotrón. También se ha estudiado la evolución de los perfiles de tensión con el estado de precipitación, a saber, recién templado, máximo endurecimiento, y sobre-envejecido. Los factores clave que han permitido obtener la distribución de tensiones en muestras de tamaño reducido son la alta resolución espacial y el poder de penetración que permiten alcanzar las técnicas de difracción de Neutrones y de Radiación de Sincrotrón. Se ha estudiado la evolución de la tensión residual con tratamientos térmicos habituales en industria, y se ha relacionado con la variación del límite elástico en las mimas condiciones. Los resultados muestran interesantes diferencias entre materiales compuestos y aleaciones sin reforzar, sobre las que subyacen diferentes mecanismos de relajación de la tensión. Factores como la geometría y las dimensiones de muestra, así como las propiedades mecánicas de la matriz, afectan a la distribución de tensión macroscópica que tiene lugar en el temple. Otros como la microestructura, y la presencia de refuerzo en los materiales compuestos están más relacionados con las diferencias en velocidad de relajación encontradas. Sin embargo, la tensión residual microscópica permanece independiente de la geometría de la muestra. Se observó no obstante, cierta correlación entre el nivel de micro tensión y la diferencia en Coeficiente de Expansión Térmica entre la matriz y el refuerzo. También se observó que el tamaño de partícula del refuerzo, y el nivel de macro tensión alcanzado en la matriz afectan al comportamiento de la tensión residual. Por último, se ha estudiado el efecto de la deformación plástica, en tracción y en compresión, sobre el estado de tensión residual. Aunque tensión y compresión tienen esencialmente el mismo efecto a grados de deformación bajos, se observaron diferencias interesantes a mayores deformaciones.