Application of Specified Learning for the Third Iteration

Las tensiones residuales en el material mecanizado fueron medidas mediante el método de difracción de rayos X. Estas mediciones se han realizado sobre probetas, obtenidas a partir de material previamente mecanizado con diferentes geometrías de herramienta y parámetros de corte.

A continuación se expone la metodología empleada, así como el plan de medida y los resultados obtenidos.

En un material sometido a tensión, o que posee tensiones residuales, las deformaciones elásticas resultantes causan cambios en los espacios interatómicos de la estructura cristalina del material. El método de difracción de rayos X es un método de inspección no destructivo, que mediante un difractómetro mide éstos espacios interatómicos en el material. Estos espacios son indicativos de la deformación elástica producida en el material. Los valores de tensión pueden ser calculados a partir de estas deformaciones, conociendo las constantes elásticas del material y asumiendo tensiones proporcionales a las deformaciones (Totten et al, 2002).

La difracción de rayos X es el método más aceptado para la medida no destructiva de deformaciones residuales (y en consecuencia de tensiones residuales) en materiales cristalinos con un tamaño de grano relativamente pequeño. El material a medir puede ser metálico o cerámico, siempre que exista un pico de difracción bien definido y aislado de los picos vecinos. Este pico de difracción es el que se utiliza para la medida de tensiones.

Las tensiones residuales determinadas mediante la difracción de rayos X corresponden a la tensión media aritmética en un volumen de material definido por el área irradiada. Esta área puede variar, dependiendo de la geometría del haz, de centímetros cuadrados a menos de un milímetro cuadrado. Los rayos X penetran una cierta distancia en el material, que depende de la longitud de onda de la radiación incidente, el material y el ángulo de incidencia. En las técnicas comúnmente usadas para la medición de tensiones en probetas de hierro, níquel, y aleaciones de aluminio, el 50% de la radiación es

difractada a una capa menor de 5 µm de profundidad (Prevéy, 1996) (Lin et al, 1997). Por ello, la deformación que se mide es un promedio sobre unas pocas micras de profundidad por debajo de la superficie de la muestra.

Existen diferentes fuentes de error que producen los valores de incertidumbre obtenidos. Una de las fuentes más importantes es la incertidumbre de la medida debida al tamaño del grano del material analizado, textura o interferencia del rayo X con la geometría de la probeta. Tanto superficie como en profundidad, los gradientes de tensión son comunes en procesos de mecanizado y pueden causar errores de hasta 500 MPa, incluso cambiando el signo de tensión superficial (Prevéy, 1996).

Los errores también pueden provenir de la desalineación del difractómetro por un mal posicionamiento o desplazamiento de la probeta. La norma ASTM E915 proporciona un procedimiento simple para verificar la alineación del instrumento de medida con la probeta (Prevéy, 1996). Para verificar la alineación del difractómetro se emplea una probeta plana de material sin tensiones, lo que produce una difracción en la región angular del pico de difracción, que será usado para la medida de tensión. La probeta debe tener granos finos, de modo que el gran número de cristales individuales contribuyen al pico de difracción producido. El método propuesto por la norma ASTM E 915, contempla la preparación y posicionamiento de la probeta plana sin tensiones con el objetivo de comprobar el error sistemático causado por la desalineación del instrumento o la colocación de muestra en el difractómetro con el ángulo de difracción apropiado.

Metodología

El estado de tensiones residuales en la superficie mecanizada y en profundidad de la pieza se analizó en el centro tecnológico IDEKO, mediante la técnica de difracción de rayos X. Las medidas se realizaron sobre probetas del material AISI 316L mecanizado previamente en los ensayos de corte descritos previamente. Las mediciones de tensiones fueron realizadas en dos direcciones: la que corresponde al movimiento de corte o dirección circunferencial (eje x) y la dirección radial (eje z). La colocación de la muestra y la disposición de los ejes de medida se muestran en la figura 2.34. El tiempo

de exposición fue de 50 segundos. El voltaje y corriente equipo fue de 30 kV y 6,7 mA, respectivamente, para todas las probetas analizadas.

Figura 2.34 Posición de la probeta respeto al difractómetro. Punto de medición.

Para determinar los perfiles de tensiones residuales en profundidad, se eliminaron capas sucesivas de material mediante electroerosión. Este procedimiento permite eliminar material evitando introducir nuevas tensiones residuales en las probetas. Las tensiones residuales fueron evaluadas con sin2ψ, método correspondiente a la distribución de deformación elástica, obtenida de los espacios en el plano interatómico.

Las constantes radio cristalográficas elásticas (elastic radicrystallographic constants) ½ S2{hkl} y S1{hkl} se muestran en la tabla siguiente con el resto de parámetros

relacionados con el estudio mediante difracción de rayos X.

Tabla 2.12 Parámetros relacionados con el análisis de difracción de rayos X.

Parámetros Condición

Equipo StressTech/ Xstress 3000

Potencia 30 kV, 6,7 mA

Fase del Material Feγ (ferrita) Diámetro del punto (mm) 2

½ S2{hkl} (MPa-1) 7,04E-06 S1{hkl} (MPa-1) -1,60E-06 Longitud de onda- Radiación Mn - Kα Filtro Cr Ángulo de Braga 152,26 Z X

Probetas

Mediante el corte de los tubos de acero AISI 316L utilizados durante los ensayos de mecanizado realizados se obtuvieron probetas cilíndricas de 2 mm de espesor y 15 mm de altura (ver figura 2.35). Se obtuvieron 12 probetas, correspondientes a las condiciones (geometrías de herramienta y/o parámetros de corte) estudiadas. La metodología experimental aplicada no permite determinar la zona de la superficie mecanizada correspondiente a la retirada de la herramienta. Por ello, existe una cierta incertidumbre relativa al valor del avance en la última pasada de corte en el punto en el que se determinan las tensiones residuales. Evitar esta fuente de error presenta una gran dificultad por lo que es frecuente encontrarla en otros estudios de tensiones residuales debidas a corte ortogonal.

Figura 2.35 Probetas para la medición de tensiones residuales.

Plan de medida de tensiones residuales

En la tabla 2.13 se muestran las condiciones de corte y geometrías de herramientas para las cuales se determinaron las tensiones residuales después del mecanizado.

Tabla 2.13 Descripción de probetas tensiones residuales.

Probeta Desgaste Magnitud (mm) Vc (m/min) a (mm/rev)

1-1012 No Radio de filo = 0,02 120 _0,1

1-1024 No Radio de filo = 0,02 240

1-512 No Radio de filo = 0,02 120 _0,05

1-524 No Radio de filo = 0,02 240

2 Flanco Longitud de flanco =0,4

120 0,1

3 Flanco Longitud de flanco =0,8 4 Redondeo Radio de filo = 0,05 5 Redondeo Radio de filo = 0,08 10 Cráter Longitud de cráter =0,2 11 Cráter Longitud de cráter =0,4

12 BUE Radio recrecido=0,1

13 BUE Radio recrecido =0,2

En todas las probetas se realizaron medidas superficiales en el centro de la corona plana de 2 mm de anchura, tanto en el eje circunferencial, como en la radial.

Además, se realizaron medidas de tensiones en la dirección de corte, a distintas profundidades, en las probetas correspondientes al mecanizado, con los parámetros de corte estándar, con herramienta sin desgaste (referencia 1-1012) y con redondeo de filo máximo (referencia 5).

Las medidas correspondieron a profundidades de aproximadamente 0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,3, 0,4 y 0,5 mm.