estimacion de la capa en compresion utilizando la intensidad almen

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The Shot Peener’s Corner
Nº 16
IPAR-BLAST, S.L. Pol. Ind. IBUR-ERREKA, 40-BAJO1 20600 EIBAR (Gipuzkoa)
The Shot Peener’s Corner es una colaboración entre ELECTRONICS INC. e
IPAR-BLAST, S.L.
Cada artículo, es una traducción del reportaje más destacado de la revista THE
SHOT PEENER.
ELECTRONICS INC. es lider mundial en formación y difusión del shot peening.
IPAR-BLAST, S.L. es subcontratista de tratamientos superficiales de precisión.
Entre los cuales se encuentra el shot peening.
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Estimación de la capa en compresión usando la intensidad Almen.
por Prof. Dr. David Kirk | Coventry University, U.K. (Texto traducido por Eduardo Vázquez—IPAR-BLAST, S.L.)
INTRODUCCION
El shot peening genera una capa de tensiones de compresión. Esta capa, es la principal responsable de la
mejora del comportamiento a fatiga de los componentes. Por lo tanto, el conocimiento de la profundidad de
la capa en compresión es crucial para los usuarios. El método más preciso para conocer esta capa es la
difracción por rayos X combinada con la eliminación de multiples capas de material. Los métodos indirectos, como la medición de microdurezas, también implica la eliminación de diferentes capas de material.
Ambos métodos son costosos, tanto económica como laboriosamente y siempre son llevados a cabo después de aplicar el shot peening.
La intensidad Almen, se calcula necesariamente en cada trabajo. Con este artículo, se pretende dar una
guía para relacionar la intensidad con la profundidad de la capa en compresión.
La mayoría de componentes a los que se aplica shot peening, van directamente a montaje final. En ocasiones, algunos de ellos llevan operaciones de acabado fino después del shot peening. Esto, se hace para
mejorar la rugosidad superficial o para acometer ligeras correcciones dimensionales. Las operaciones de
acabado fino incluyen pulidos, rectificados, bruñidos e incluso chorreados. La norma AMS 2432B da indicaciones acerca de la cantidad de material que puede ser eliminado sin afectar seriamente a las mejoras
proporcionadas por el shot peening.
Este artículo, describirá los principios que fundamentan la limitación de la eliminación de material con los
acabados finos. Básicamente, se debería de eliminar únicamente una pequeña fracción de la capa en
compresión. Así como es necesario medir la intensidad Almen, rara es la ocasión en la que se mide la capa en compresión. La norma AMS 2432B procura utilizar los valores de intensidad como referencia para
indicar la cantidad de material que puede ser eliminado. De algún modo, este artículo podría ser complementario a algunas de las secciones de la norma AMS 2432B.
PROFUNDIDAD DE LA CAPA EN COMPRESION
La profundidad de la capa en compresión, D, es de vital importancia de cara al acabado final fino. De ella
va a depender la cantidad de material que se podrá eliminar con seguridad. En la figura 1, se muestra un
perfil de tensiones residuales típico. D variará tanto con la intensidad del tratamiento, como con la dureza
del material. Sería razonable pensar que un 10% de la profundidad D podría ser eliminada sin afectar significativamente a la mejora de las propiedades en servicio aportadas por el shot peening.
Fig.1. Perfil típico de una curva de tensiones residuales de shot peening con una capa D en compresión.
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RELACION ENTRE LA PROFUNDIDAD DE LA CAPA EN COMPRESION Y LA INTENSIDAD ALMEN
"A"
Es razonablemente obvio que la profundidad de la capa en compresión aumentará con el incremento de la
intensidad de shot peening. Es también obvio que, para una misma intensidad de shot peening, la profundidad será mayor en materiales blandos que en aquellos más duros. La tabla 1, que utiliza algunos de los
valores de la tabla 2 de la AMS2432B, cuantifica el efecto de la resistencia del material.
En la tabla 1, se ha aplicado una intensidad Almen "A" fija de 0,20mm a una gama diversa de materiales.
Para los valores registrados, que promedio de la capa en compresión D medida es de 0,182mm que está
realmente cerca de la intensidad "A" 0,20mm aplicada en el tratamiento.
TIPO PLACA
A
INTENSIDAD - MM
0.20
MATERIAL
D - MM
ALUMINIO
0.25
TITANIO
0.18
ACERO < 1379 MPA
0.20
ACERO 1379 MPA
0.13
ALEACION NÍQUEL
0.15
PROMEDIO
0.183
Tabla 1. Profundidad de la capa en compresión D para una intensidad de shot peening de 0,20 mmA
Esto, nos da una relación muy interesante:
El promedio de la capa en compresión es aproximádamente igual a la intensidad Almen "A".
Los valores mostrados en la tabla 1 se refieren a una Intensidad de shot peening específica, 0,20mmA. Es
pues razonable pensar que la profundidad D será linealmente proporcional a la intensidad de shot peening
a lo largo del rango de intensidades permitido. Este efecto, se ha ilustrado en la Fig.2 en la cual se han
extrapolado los valores de 0,20 mmA.
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Fig.2. Proyección de la variación de la capa en compresión vs. intensidad Almen "A".
Una segunda observación importante:
El rango de las profundidades de las capas en compresión en la tabla 1 está en un ratio inferior a 2 a 1.
A muchos especialistas les sorprenderá que el rango de profundidades sea tan bajo si se comprara con el
rango de resistencias de los materiales . Ya se demostró (ver The Shot Peener 2004) que el diámetro de
un impacto de shot peening es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la dureza Brinell del material. Un rango de 2 a 1 de los diámetros de los impactos nos llevaría a que la dureza debería de variar en
un factos de 16 (24 = 16). Las profundidades de las capas en compresión son directamente proporcionales
a los diámetros de los impactos y los ratios de la dureza Brinell son muy similares a los ratios de la resistencia de los materiales. Para los materiales de la tabla, los rangos de resistencia van de 17 a 1 - que es
muy similar a 16 a 1. Extendiendo este argumento un rango de 3 a 1 en las profundidades de capa, requeriría que las resistencias variasen en un factor de 81 a 1 (siendo 81 = 34), que cubre todo el rango de las
resistencias de los materiales tratados.
La Fig.3 ilustra la relación entre el diámetro del impacto y la profundidad de la capa en compresión. Para
un material blando, A, el diámetro del impacto, dA, y la capa en compresión, DA, son menores que para los
mismos valores en un material duro, B, - dB y DB.
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Fig.3. Doblando el diámetro del impacto, se duplica la capa en compresión, D.
La Fig.2 indica para la capa en compresión, D, que:
(1) D es aproximadamente igual a la Intensidad Alemn "A" para materiales de resistencia similar,
(2) Para materiales muy blandos como el aluminio, D puede ser como hasta un 50% másque la intensidad Alemn "A" y
(3) Para materiales muy duros, como los materiales de alta resistencia, D puede ser tan pequeña
como la mitad de la intensidad Almen "A".
Teniendo un rango desde 50%sobre la intensidad hasta la mitad de la intensidad, es decir un rango de 3 a
1, se corresponde, como se ha mencionado antes, a un rango de tensiones de material de 81 a 1.
RELACION ENTRE LA PROFUNDIDAD DE LA CAPA EN COMPRESION Y EL TIPO DE INTENSIDAD
ALMEN
Las placas Almen "C" y las placas Almen "N" también son utilizadas para conocer la intensidad Almen,
aunque no tan frecuentemente como las placas Almen "A". La tabla 2 muestra todos los valores utilizados
en la Tabla 2 de la AMS 2432B. Se han aplicado intensidades de 0,20 mm tipo "N", "A" y "C" a un rango de
materiales y se muestran las profundidades correspondientes. Los ratios de 3,14 para A/N y 2,95 para C/A
son muy parecidos a los factores de conversión especificados en la J442. Estos son que "La lectura de una
placa C x 3,5= Lectura de placa A x 3,0 = Lectura de placa N". Por lo tanto, y a modo de guía, podemos
postular que:
(1) D es aproximadamente un tercio de la intensidad Almen "N" para materiales de resistencia similar y
(2) D es tres veces la Intensidad Almen "C" para materiales de resistencia similar.
Ya se ha mostrado que:(a) para materiales muy blandos, como el aluminio, D puede ser hasta un 50% más
que la intensidad Almen "A" y que (b) para materiales muy duros como los aceros de alta resistencia, D
puede ser tan pequeña como la mitad de la intensidad Almen "A". Si extendemos esto a las placas "N" y
"C" podemos construir los gráficos mostrados en las fig. 4, fig.5 y fig.6.
Se puede intuir la profundidad aproximada de una capa en compresión de cada figura usando un valor de
intensidad medido. Por ejemplo: en la figura 4, un valor de intensidad 0,5 mm "N" indica que la capa en
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compresión podrá tener entre 0,08 y 0,25 mm en función de la dureza del componente. Si se supiera que
el componente es de un material de dureza media, la capa sería de unos 0,15mm
ELIMINACION DE CAPA PERMITIDA CON ACABADO FINO
La eliminación de un 10% de la capa en compresión podría ser un límite máximo razonable. En cualquier
caso hay especificaciones que nos proveen de límites definidos, como en la AMS 2432B. Esto, reconoce
de hecho que la capa en compresión no es habitualmente medida. En cambio, se basa en la disponibilidad
de valores de intensidad leídos - como hemos dicho ya antes. Otra restricción requiere que "…la evidencia
de impactos de shot peening deberá de apreciarse después de la eliminación de material."
Cantidades de material eliminado específicadas
La AMS 2432B indica:"Para piezas con resistencia mínima de 220 ksi (1517 MPa) y superiores, no más del
5% de la intensidad Almen "A" mínima especificada … deberá de ser eliminada de la superficie". Por lo
tento se díría que para una intensidad de tratamiento dada de 0,20-0,30 mmA, el 5% de 0,20mm sería el
máximo de material que se podría eliminar en componentes de resistencia mínima de 220 ksi (1517 MPa).
el 5% de 0,20 es 0,01mm. Utilizando la fig.5 vemos que la capa en compresión de materiales de alta dureza es de 0,1mm aproximadamente. La eliminación de 0,01mm de una capa en compresión de 0,1 supone
el 10% del espesor.
La AMS 2432B también establece: "Para otras piezas, no más del equivalente al 10% de la intensidad Almen "A" mínima especificada …deberá de ser eliminada de la superficie". Si el rango especificado era de
0,20-0,30 mm Almen "A", el 10% de 0,20 sería el máximo de material a eliminar en materiales de resistencia inferior a 220 ksi (1517 MPa). El 10% de 0,20 es 0,02mm. Usando la fig.5 vemos que para materiales
de resistencia media, se muestra una capa de unos 0,2mm. Por lo tanto en componentes de resistencia
media se podría eliminar una capa de 0,02 mm que, otra vez, se corresponde con el 10% del espesor de la
capa en compresión.
TIPO PLACA
N
A
C
Intensidad - mm
0.20
0.20
0.20
Material
Profundidad de la capa en compresión - mm
Aluminio
0.08
0.25
0.69
Titanio
0.05
0.18
0.46
Acero < 1379 MPa
0.06
0.20
0.64
Acero 1379 MPa
0.05
0.13
0.38
Aleación Niquel
0.05
0.15
0.51
Promedio
0.058
0.183
0.536
Tabla 2. Profundidades de la capa en compresión (valores AMS 2432B)
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La AMS 2432B considera el hecho de que la intensidad habrá podido ser especificada utilizando las escalas "N" o "C". Lo hace usando la frase "… o intensidad equivalente "N" o "C" (véase 8.6)…" Esto, aplica a
componentes con una resistencia mínima de 220 ksi (1517MPa). La sección 8.6 Comprarativa de intensidades, contiene la conocida (a) " …la deflexión de una placa tipo "A" podrá ser multiplicada por tres para
obtener el valor aproximado de deflexión de una placa tipo "N" cuando son tratadas con la misma intensidad" y (b) " … la deflexión de una placa tipo "C" podrá ser multiplicada por 3,5 para obtener el valor aproximado de deflexión de una placa tipo "A" cuando son tratadas con la misma intensidad". Dos ejemplos de
esto son:
Fig.4. Diagrama de conversion de intensidad Almen “N” a profundidad de capa en compresión
(1) Una especificación de 0,35-0,50 mm Almen "N" para piezas de resistencia mínima de 220 ksi
(1517MPa) significará que primeramente debemos dividir el mínimo 0,35 por 3,5 (dando esto 0,10 mm) y
después dividir esta cantidad por 20 (para obtener el 5% de tolerancia). Esto coloca en 0,005mm como la
máxima cantidad que podrá ser eliminada con el acabado fino. Utilizando la fig.4 vemos que para una intensidad de 0,35 mm "N" la capa en compresión será del orden de 0,058 mm. Eliminando 0,005mm de una
profundidad de 0,058mm eliminaremos aproximadamente un 9%.
Fig.5 Diagrama de conversion de intensidad Almen “A” a profundidad de capa en compresión
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(2)
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Una especificación de 0,30-0,45 mm Almen "C" significará que multiplicaremos el mínimo de 0,3 por
3 (para obtener el 0,9 mm) y después dividiremos esta por 20 (para calcular el 5%), obteniendo
0,045 mm. Utilizando la fig.6 vemos que la capa en compresión para materiales duros, será del orden de0,45mm. Eliminando 0,045mm estaremos eliminando un 10%.
Fig.6 Diagrama de conversion de intensidad Almen “”C” a profundidad de capa en compresión
De alguna manera un tanto ambigua, para "otras piezas", por ejemplo de resistencia más baja, la AMS
2432B nos remite a su sección 8.3.4.2 para guiarnos en la equivalencia. De hecho, esta sección es simplemente la tabla 2 que ya hemos mencionado antes. Por razones prácticas es mejor seguir las equivalencias
indicadas en el párrafo anterior. Los siguientes ejemplos se refieren a "otros materiales" con resistencia
menor a 220 ksi (1517 MPa).
(3) Una especificación de 0,35-0,50 mm Almen "N" significará que primeramente debemos dividir el mínimo 0,35 por 3,5 (dando esto 0,10 mm) y después dividir esta cantidad por 10 (para obtener el 10% de tolerancia). Por lo tanto podremos eliminar 0,01mm. Utilizando la fig.4 vemos que para una intensidad de 0,35
mm "N" la capa en compresión será del orden de 0,10 mm - para componentes de resistencia media. Con
lo que se mantiene el 10%.
(4) Una especificación de 0,30-0,45 mm Almen "C" significará que multiplicaremos el mínimo de 0,3 por 3
(para obtener el 0,9 mm) y después dividiremos esta por 10 (para calcular el 10%), obteniendo 0,090 mm.
Utilizando la fig.6 vemos que la capa en compresión para materiales medios, será del orden de0,9mm. Eliminando 0,090mm estaremos eliminando un 10%.
Evidencias de impactos de shot peening
La AMS 2432B también requiere que una vez aplicado el acabado fino " … las marcas de los impactos del
shot peening deberán apreciarse." En la sección previa se ha mostrado que se puede eliminar hasta un
10% de la capa en compresión mediante acabado fino. Dicha cantidad solo podrá ser eliminada si siguen
quedando evidencias de impactos de shot peening. Esto, solo se podrá alcanzar si la rugosidad de la superficie con shot peening supera el 10% de la capa en compresión, D.
La Fig.7 es una representación esquemática de una superficie con shot peening con una rugosidad justa-
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mente superior al 10% de la capa en compresión, D.
Fig.7. Rugosidad superficial justo superando el 10% de la capa en compresión, D.
Fig.8. Superficie con acabado fino con el 10% de la capa en compresión, D eliminada.
La fig.8 representa una situación de un componente con el 10% de la capa D eliminada. La "evidencia"
requerida, se resalta en la fig.8.
Normalmente, el acabado fino solo eliminará bastante menos del 10% de la capa en compresión. Es evidente que la eliminación de material permitida afectará justo a la eliminación de las crestas del perfil de
rugosidad.
El cumplimiento con el requerimiento de "evidencias del previo shot peening" requiere de cierta experiencia
para identificar dichas "evidencias". Una manera simple de adquirir esta experiencia consiste en aplicar
acabado fino a placas Almen tratadas. La fig.9 muestra una placa Almen "A" pulida a mano en una zona de
la parte convexa. Después de unas veinte pasadas con papel de lija de grado medio para humedo y seco,
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la zona lijada quedó sin ninguna evidencia de impactos de shot peening. A medida que nos alejamos de
dicha zona, las evidencias comienzan a aparecer.
Fig.9. Placa Almen "A" pulida a mano hasta eliminar las evidencias del shot peening en la zona central.
DISCUSION
Se ha mostrado la forma de estimar la capa en compresión utilizando los valores de intensidad correspondientes. Dichas estimaciones serían de especial valor en las fases de especificación de shot peening en
nuevos componentes. Es importante recalcar, que en cualquier caso la implementación final requeriría de
una confirmación. Esto, sería posible utilizando técnicas de difracción de Rx. Requieren la eliminación de
múltiples capas de material y tienen un coste considerable.
El análisis aquí presentado, se basa totalmente en valores de profundidad de capa vs. intensidad Almen
publicados en la AMS 2432B. Se pueden obtener más evidencias comparando valores individuales con los
gráficos presentados.
Hay ocasiones en las que el acabado fino de componentes es necesario. La pregunta de " ¿cuánto de la
superficie tratada con shot peening puede ser eliminada sin afectar negativamente a la resistencia contra
la fatiga?. Este artículo muestra que siguiendo las indicaciones de la AMS 2432B, se eliminará algo menos
que el 10%. Se eliminarán las crestas del perfil de rugosidad. Estas crestas, contienen relativamente pocas
tensiones de compresión. el acabado fino, por si mismo introduce altas cantidades de tensiones de compresión,. por lo que podríamos decir que el acabado fino puede incluso mejorar el resultado final de mejora contra la fatiga.
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