Control de los parámetros de shot peening con objeto de optimizar estos tratamientos sobre materiales industriales

Abstract

Esta tesis pretende definir una serie de recomendaciones encaminadas a facilitar el uso adecuado de una tecnología ya conocida, pero que aún hoy en día no se aplica de la manera más eficiente posible, el shot peening, un tratamiento superficial en frío, que se basa en hacer impactar a gran velocidad bolas esféricas de pequeño tamaño (0,3<Ø<1,6 mm) contra la superficie del material a tratar, induciendo una serie de fenómenos que, correctamente controlados, pueden mejorar el comportamiento en servicio de componentes metálicos industriales. Con esto se intenta ayudar a las empresas del sector metal a sacarle el máximo partido a este tipo de tratamientos, fundamentalmente en lo que respecta a su influencia sobre la vida a fatiga, fenómeno que representa aproximadamente el 90% de los fallos mecánicos de los componentes metálicos. En este trabajo se ha analizado el efecto de diferentes tratamientos de shot peening, con el mismo grado de cobertura (GC=100%), pero con distintas intensidades Almen, comprendidas entre 8A y 21A, sobre 6 variantes del acero AISI 4340, obtenidas tras distintos procesos de temple y revenido, que abarcan un amplio rango de propiedades mecánicas. Se ha analizado y cuantificado la evolución de las tensiones residuales de compresión inducidas y del endurecimiento superficial generado, además del tamaño de las huellas creadas y de los defectos superficiales surgidos (rugosidad, grietas,¿), para luego interpretar mediante ensayos de fatiga rotativa (R=-1), la repercusión de todos ellos sobre la vida a fatiga. Con esto se ha comprobado como cada uno de los aceros responde de manera distinta a los tratamientos, y como a partir de cierta intensidad Almen, definida como óptima, el efecto beneficioso sobre la vida a fatiga se reduce, lo que evidencia que el tratamiento ideal depende directamente de las propiedades del material a tratar. En función de los datos experimentales alcanzados se ha construido una sencilla gráfica que da una idea aproximada de cuál debería ser la intensidad Almen a utilizar en función de las propiedades mecánicas del material a tratar. Además, se ha evidenciado que los tratamientos óptimos logran evitar que la grieta de fatiga se genere en la superficie a pesar de ser esta región la más cargada en los ensayos llevados a cabo, debido a la adecuada relación entre efectos beneficiosos y perjudiciales lograda. También se ha analizado el proceso de relajación, tanto de las tensiones residuales como del endurecimiento superficial, confirmando como dichos fenómenos se reducen de forma considerable a lo largo del ensayo de fatiga, por lo que no todos los aspectos positivos inducidos en el tratamiento actuarán finalmente como freno a la propagación de las grietas, sino que sus valores finales dependerán de las propiedades del material y de las características del ensayo de fatiga, fundamentalmente la carga aplicada. Paralelamente se han enunciado una serie de expresiones que ayudan a predecir con gran exactitud y sencillez el tamaño de las huellas y los perfiles de tensiones residuales, además de evidenciar como la rugosidad por sí misma no resulta un parámetro válido para evaluar la influencia del acabado superficial sobre la vida a fatiga, ya que obvia la presencia de microgrietas que se pueden generar si los tratamientos aplicados han sido demasiado intensos. Con todo esto se ha conseguido conocer en profundidad las características de los tratamientos de shot peening, sus efectos sobre una amplia gama de aceros templados y revenidos, comúnmente utilizados en la industria, a la vez que se han proporcionado una serie de herramientas que pueden servir de ayuda para que la industria metalmecánica saque el mayor partido posible de los tratamientos citados de cara a aumenta la vida a fatiga de los componentes industriales.