CAPÍTULO 3.METODOLOGÍA Y TÉCNICAS EXPERIMENTALES
3.3. CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS DE LOS PROCESOS DE SHOT PEENING
3.3.1. Acabado superficial Cobertura y rugosidad
Como se describió en el apartado anterior, los tratamientos de shot peening se realizaron a intensidades Almen de 8, 10, 12, 14, 16, 19 y 21 A. Para cada intensidad Almen se realizaron cuatro ensayos bajo diversos tiempos de exposición, con la finalidad de obtener varios niveles de cobertura.
En vista que los procesos de shot peening modifican la rugosidad de las piezas, la cual está relacionada con la cobertura del procedimiento de shot peening, se realizó la evaluación de rugosidad de las probetas obtenidas al aplicar los diversos tiempos de exposición en función del grado de cobertura (desde coberturas menores que 100 hasta 200%). En la caracterización de la topografía superficial, se utilizó un rugosímetro DIAVITE DH-6 (Figura 3.9), disponible en el laboratorio de Ciencias de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica del Campus de Gijón. Este dispositivo proporciona 6 parámetros diferentes de rugosidad: Ra, RzDIN, Rt, Rmáx, R3z y
Rq, siendo los más representativos Ra y Rmáx. Por recomendación de la norma UNE 82-
301:1986, se configuró el equipo con Lm1=4,8 mm y Lc=0,8.
Figura 3.9. Rugosímetro DIAVITE DH-6
1L
m es la distancia recorrida por el palpador, mientras que Lc es el filtro que la electrónica del aparato aplica
Se exponen a continuación las expresiones de los distintos parámetros de rugosidad evaluados. La Figura 3.10 ilustra un perfil de rugosidad típico.
Ra es la media aritmética de las desviaciones del perfil
𝑅𝑎=𝑁1∑𝑁𝑖=1 ⃒𝑌𝑖⃒ Ec. 3.3
Corresponde a la media aritmética del valor absoluto de las distancias desde la línea media al perfil R (Yi) dentro de la longitud de muestra. Esta línea media sirve de referencia para el cálculo de los distintos parámetros, y se determina por el método de los mínimos cuadrados respecto al perfil R, en cada longitud de muestra. Ra se calcula en μm y es el parámetro habitualmente elegido para cuantificar de forma general la rugosidad de una superficie.
Rq es la raíz cuadrada del valor medio de las desviaciones del perfil respecto a la línea media elevadas al cuadrado, dentro de la longitud de muestra. Este parámetro es más sensible que Ra a los valores extremos debido a la operación cuadrática.
𝑅𝑞 = (𝑁1∑𝑁𝑖=1𝑌𝑖2) 1
2 ⁄
Ec. 3.4
Rt se define como la máxima altura del perfil. Es un valor extremo, y describe la distancia
entre la altura del mayor pico Yp y la profundidad del mayor valle Yv, dentro de la longitud de muestra.
𝑅𝑡= 𝑌𝑃+ 𝑌𝑉 Ec. 3.5
El parámetro Rz se conoce como la altura de diez puntos y viene dada por la siguiente
expresión:
𝑅𝑧=15(∑𝑖=1𝑁 𝑌𝑝𝑖+ ∑𝑁𝑖=1𝑌𝑣𝑖) Ec. 3.6
Se define como el valor medio, en micrómetros, del valor absoluto de los cinco picos más altos (Ypi), más el valor medio del valor absoluto de los cinco valles más profundos (Yvi), dentro de la longitud de muestra. Este parámetro es sensible a los cambios pronunciados en las características topográficas.
Rz DIN (DIN 4768) se define como la media aritmética de los 5 valores sucesivos de
rugosidad máxima, correspondiente a los 5 tramos Z iguales, de longitud le, en los que se ha
dividido la longitud de medida.
Por último la rugosidad máxima Rmáx según la norma DIN 4768 es el valor más alto de la
rugosidad aislada Zi en la longitud de evaluación le. En la Figura 3.10 se ilustra la determinación
de Rmáx.
Figura 3.10. Esquema de la medición de Rmáx
El éxito de un procedimiento de caracterización radica en una amplia recolección de datos. Por ello en la evaluación del acabado superficial generado en las probetas con tratamientos de shot peening, se realizaron varios perfiles, con la finalidad de obtener un resultado representativo de cada tratamiento (ver Figura 3.11).
Figura 3.11. Esquema de las medidas de rugosidad
Aunque tradicionalmente se suele realizar la determinación del grado de cobertura mediante inspección visual, utilizando lupas de 10 o 20 aumentos [15], para este trabajo de investigación se empleó el microscopio óptico Nikon Epiphot y el procesador de imágenes Enterprise Omnimet de Buehler. De esta manera fue posible cuantificar con precisión la
cobertura de las probetas expuestas al proceso de shot peening. La secuencia desarrollada en el procesador de imágenes para evaluar las huellas en la superficie impactada ha contemplado diferenciación de grises, afino de bordes, relleno de partículas y selección del área de trabajo. Es necesario destacar que las piezas tratadas reflejaban la luz en las concavidades de las huellas. Por ello, previo a la cuantificación, las fotografías fueron modificadas a dos colores tal y como se muestra en la Figura 3.12.
Figura 3.12. Superficie expuesta a shot peening durante 1s bajo Intensidad de 10A. a) Fotografía original. b) Fotografía en biplanos
Debido a la deformación plástica del material ocasionada por los impactos sobre la superficie de las probetas, se procedió a evaluar las mismas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), con la finalidad de identificar cualquier indicio de daño superficial. Por otra parte, la información recogida sobre los acabados superficiales del material ha sido de utilidad para estimar el Factor Concentrador de la Tensión (FCT) inducido, para lo que se ha utilizado los cuatro métodos que se desarrollan a continuación.
3.1.1.1 Determinación del factor concentrador de la tensión
La irregularidad superficial producto de los impactos de los proyectiles sobre la superficie de las muestras puede ser calculada a partir de la profundidad de la huella (h) y del diámetro de la misma (S) (véase Figura 3.13).
En el esquema se definen dos magnitudes: R, radio de la bola o proyectil y h que representa la rugosidad máxima del material (ecuaciones 3.7 y 3.8).
R=Ø bola / 2 Ec. 3.7
h=Rmáx Ec. 3.8
Para la determinación del factor concentrador de tensión, a partir de las huellas producidas por los proyectiles durante el impacto con la superficie de las probetas, se utilizó la expresión propuesta por J. K. Li [30]. Esta expresión fue obtenida tras un análisis por elementos finitos que tiene en cuenta la presencia de otras huellas próximas y la aplicación de un estado de tensión unidireccional:
𝐾 = 1 + 4(ℎ 𝑆⁄ )1,3 = 1 + 4 (𝑅𝑚á𝑥
𝑆
⁄ )1,3 Ec. 3.9
El diámetro de las bolas empleadas se determinó mediante un software de análisis de imágenes, donde se estimó el diámetro medio tras analizar más de 100 bolas de cada tipo. El valor de Rmáx empleado para los cálculos, ha sido el obtenido a partir de seis medidas de
rugosidad realizadas sobre cada uno de los tratamientos de shot peening efectuados. Por recomendación de la norma se configuró el equipo con Lm=4,8 mm y Lc=0,8; la longitud
evaluada para la determinación del valor máximo de Rmáx se ha calculado a partir de 4,8 mm
cada seis análisis, es decir un recorrido total de casi 30 mm. Es necesario resaltar que el factor S puede ser determinado a partir de cuatro procedimientos que se describen a continuación:
a) Determinación de “S” obtenida mediante cálculos geométricos, suponiendo que la huella tiene una forma de casquete esférico:
𝑆 = 2 ∙ 𝑅 ∙ sen(𝜃 2⁄ ) ≈ 2 ∙ (2 ∙ ℎ ∙ 𝑅 − ℎ2)1⁄2 Ec. 3.10
b) Análisis de la morfología superficial de la muestra con una cobertura del 100% observada en el microscopio electrónico de barrido. La determinación del valor de S se obtiene directamente en la fotomicrografía.
c) Medición precisa de huellas individuales utilizando probetas sometidas a los tratamientos de shot peening pero con baja cobertura
d) Medición directa de “S” sobre el perfil de rugosidad de muestra
En el Anexo 5 se han recogido las medidas y los cálculos realizados para determinar el FCT con respecto aspecto superficial característico generado en todos los tratamientos de shot peening. La información se ha representado para cada uno de los casos planteados.