HERNNDEZ,VILORIA,ARANGO, JIMNEZ, MENDOZA, CADENA33 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004. 33 - 40Mejoramientodelprocesodegranalladoparare-sortesdeballestautilizandomedicindeesfuerzosresidualespordifraccinderayosx*Improvingtheshotblastingprocessformakingcrossbowspringsusingx-raydiffractionformeasuringresidualstrengthHctor Hernndez1,Alexander Viloria2,Yulieth Arango3, Fsico, MSc. Augusto Jimnez4,Henry Mendoza5, Jhon J. Cadena6.RESUMENSemidierondiferentesperfilesdeesfuerzosresidualespordifraccinderayosXenlaszonascercanasalasuperficie de un acero AISI-SAE 5160H empleado en la fabricacin de resortes de ballesta, utilizando diferentescondiciones de granallado y desarrollando un diseo de experimentos para encontrar condiciones de procesoqueofrezcanintensidadesAlmenyperfilesdeesfuerzosresidualesencompresinadecuados.Por ltimo, seescogieronlascombinacionesdevariablesquetiendenapresentarlosresultadosmsadecuadosbajolosparmetrosutilizadosenelestudiorealizado,conelfindefabricarresortesbajolasmismascondicionesyfinalmente ciclarlos y determinar su comportamiento en pruebas de fatiga.PALABRAS CLAVES: difraccin de rayos X, esfuerzos residuales, fatiga, fatigafretting, granalla, granallado, probeta Almen, SEM.ABSTRACTDifferent residual strength profiles were measured by X-ray diffraction in areas close to the surface of AISI-SAE5160H steel used in making crossbow springs. Different shotblasting conditions were used and an experimentaldesign was developed for finding process conditions offering suitable Almen intensity and residual strength profilewhencompressionwasapplied.Thecombinationofvariableswaschosenwhichtendedtopresentthemostsuitable results within the parameters used in making springs in the same conditions, cycle them and determine theirbehaviour in fatigue tests.KEY WORDS: X-ray diffraction, residual strength, fatigue, fatiguefretting, shotblasting, almen, SEM.Recibido: Septiembre 29 de 2004Aceptado: Noviembre 24 de 20041 Profesortitular de la Universidad Nacional de Colombia (sede Bogot). M.Sc .2 Laboratorio de Fsica del Plasma, UNal (sede Manizales).3 Laboratorio de Fsica del Plasma, UNal (sede Manizales).4 Facultad de Ciencias, Dpto. de Fsica, UNal (sede Bogot).5 Facultad de Ciencias, Dpto. Estadstica UNal (sede Bogot).6 Facultad de Ciencias, Dpto. Estadstica UNal (sede Bogot). Industrias Metalmecnicas Asociadas S.A, IMAL S.A.I. IntroduccinElgranalladoescomnmenteutilizadoanivelindustrialparagenerarsuperficiesdeformadasplsticamenteencomponentesqueseencuentransometidosacargasc-clicasoqueseansusceptiblesdepresentarfallasporco-rrosinbajoesfuerzos(StressCorrosion)[1],esteprocesoescontroladoomonitoreadodurantesuejecucinpormediodelaprobetaAlmen[2],sinembargo,cuandosequiereobtenerunadistribucinadecuadadeesfuerzosresidualesgeneradosporaquel,esnecesariorecurriraherramientas como la difraccin de rayos X[3] que permi-tenmedirperfilesdeesfuerzosresiduales.Estosesfuer-zosencompresininducidosporelgranalladopuedenretardar o detenerel crecimiento y/o propagacin de lasgrietasgeneradasporlosfenmenosanteriormentemen-cionados[4-8].Losresortesdeballestasonelementossometidosacar-gascclicasqueactanenformasimilaracomolohaceuna viga en voladizo[9]; uno de sus lados est sometido atensin,mientrasqueelotroseencuentrasometidoacompresin.Lasfracturasobservadasenestosresortesseoriginanenunaltoporcentajesobreelladoqueseen-cuentra sometido a tensin, y es precisamente sobre esteladosobreelqueserealizaelprocesodegranallado,elcual,seencargadegenerarunperfildeesfuerzosquedisminuyenelesfuerzonetoqueactasobreelelemen-hhernandeza@unal.edu.co*Maestra en ingeniera - materiales y procesos de manufactura,Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica.Universidad Nacional de Colombia - sede bogot.MEJORAMIENTO DEL PROCESO DE GRANALLADO PARA RESORTES DE BALLESTA UTILIZANDO MEDICIN DE ESFUERZOS RESIDUALES POR DIFRACCIN DE RAYOS X34 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004tocuandoseencuentraenservicio.Laformacomosedistribuyenestosesfuerzosinfluyeenlavidadelresorte,porloqueactualmenteenlasgrandesindustriasquelosdesarrollan se incluye la medicin de esfuerzos residualespordifraccinderayosXenloscontrolesdecalidaddelproceso de produccin. En nuestro pas, sin embargo, nosetieneconocimientodereportesenlosquesehayaempleadoestatcnicaparacaracterizarlosesfuerzosresidualespresentesenunaceroymuchomenosdelautilizacindelamismaparaadecuarunprocesodema-nufactura,porloqueseconsideraunaporteimportantepara la academia y la industria a nivel nacional.II. Desarrollo experimentalA. Evaluacin del material granallado y de lagranallaLainvestigacinesdesarrolladaporetapas,inicindolacon la caracterizacin del material utilizado en la fabrica-cinderesortesdeballesta,enestecasosetratadeunaceroAISISAE5160H,cuyacomposicinpromediosemuestraenlaTabla1.Tabla1.Composicindelacerogranallado.granalladealambrerecortadoacondicionadocondeno-minacinCCW41,conestructuramartenstica,unniveldedurezaentre490y660HK,200g,yconunagranulometraqueesmostradaenlaTabla2.Tabla2.Granulometradegranallautilizada.Paralaelaboracinderesortesseutilizandosespesoresdiferentes:6y7mm,contamaodegranoASTM8;elniveldeinclusionesmscrticocorrespondientealade-nominacin D1serie delgada segn el mtodo D paraevaluacindeinclusionesdelanormaASTM[10],conunaestructurademartensitarevenidaquetieneunadu-rezapromediode425Knoop,medidaconunacargade200g. Igualmente, al evaluar la descarburacin del mate-rial que ha de ser granallado se encuentra que el compor-tamiento de sta durante el proceso de fabricacines elmostradoenlaFigura1.Fig.1.Comportamientodelaprofundidaddedescarburacinmedidaencadaetapadelprocesodefabricacin.Posteriormente, se realiza la caracterizacin de la granallautilizadaenelproceso,obteniendoquesetratadeunaLa evaluacin de la granalla y de la materia prima se rea-liza con un analizador de imgenes marca LECO con capa-cidaddeaumentosde252.000X,yseutilizatambinun microdurmetro marca LECO con capacidad de cargade5500geindentadorKnoop.B. Equipo de granallado utilizadoSe utiliza una granalladora que impulsa la granalla por fuer-za centrfuga utilizando como una de las variables a ana-lizar los valores de flujo de granalla pero fijando en todosloscasoslasrevolucionesporminuto;lascaractersticasdeflujodelamquinasemuestranenlaTabla3.Tabla3.ValoresdelosflujosobtenidosenlosdiferentesamperajesestablecidosAdicionalmente se maneja la variable velocidad de bandatransportadora,endondesefijancincovelocidadesdeavancedelaprobetaatravsdelflujodegranalla.Estasvelocidadesfuerondeterminadasvariandoelnmerodedientesdelospionesymidiendoeltiempogastadoenrecorrer un trayecto fijo; los resultados se muestran en laTabla4.Tabla4.Velocidadesutilizadasduranteelanlisisparalosdiferentespionesutilizados.Profundidad, mmHERNNDEZ,VILORIA,ARANGO, JIMNEZ, MENDOZA, CADENA35 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004Otras variables que no se modificaron en el desarrollo deesteanlisisfueron:laalturadecadadelagranalla,1.2m; las caractersticas dimensionales del chorro de granalla,elpticoconunejemayorde1.5myunejemenorde0.25m;lasprobetasAlmenutilizadas;elmedidordein-tensidad Almen; la granalla utilizada; el material granallado;lascondicionesambientalesbajolascualessedesarrollaelexperimento,yeloperariodelamquina.C. Probetas utilizadasSeutilizantrestiposdeprobetas.Inicialmenteseusanprobetas estandarizadas Almen A, que son empleadas paradeterminar la intensidad Almen generada por el granalladoyquetienenlassiguientesdimensiones:3.00.015inenlargo,0.745-0.750inenanchoy0.0510.001indees-pesor; la deflexin, que es un indicativo de la intensidaddegranallado,esmedidaconuncomparadodecartulaestandarizado Almen, que tiene una precisin de 0.0005in[10].OtrotipodeprobetaseselutilizadoparamedicindeesfuerzosresidualespordifraccinderayosX,sonprobetascircularesde25.4mmdedimetroy2.0mmdeespesor,obtenidasdeacero5160Htratadotrmicamente.Porltimo,setienenresortesdeballestasobre los cuales se aplican las condiciones finales a anali-zaryquepermitendeterminarsisecumplenonolosrequerimientosdeciclajeestablecidos(laspruebasdefatigadebensuperarlos200.000ciclos);estosresortescorrespondentodosaunamismareferencia,sonclasifi-cadoscomonoconvencionales,tienenunladolargoyotrocorto,constandeseishojas,lasegundahojatieneenvoltura militar en el lado largo y rebote en el lado cor-to,lashojas3ra6tatienenlaspuntasroladasyendia-mantedisminuidasenespesor;enlaFigura2semues-tranlosresortesciclados.sidadAlmen,queeselvalordelaflechadelacurvaturageneradacuandosesometelaprobetaalaaccindelagranalla[9],serealizantresmedicionesencadaunodelosquincetratamientos(productodelacombinacindetrescondicionesdeflujoycincodevelocidades),loquerepresenta un total de 45 probetas Almen, sobre las cua-les se realizan inspecciones visuales para medir coberturaconunalupade10X;paraanalizarlosdatosdeintensi-dad Almen se utiliza un nivel de confianza del 95%. Conlas probetas cilndricas de acero 5160H se realizan medi-cionesdeperfilesdeesfuerzosresidualespordifraccinderayosXutilizandolatcnicademltiplesSen2?[12],concorreccionesdelgradientedeesfuerzosdebidoalaremocin de material[13], en este caso se utiliza una pro-beta por cada combinacin de flujo y velocidad debido alo dispendioso del ensayo y lo costoso del mismo. El equi-poutilizadopararealizarestasmedicionesesundifractmetroBrukerD8congeometraBraggBrentano,steesunequipodedifraccinderayosXdeltimageneracin, provisto con software para anlisis de esfuer-zos y ctodo de cobre. Las condiciones utilizadas se mues-tran en la Tabla 5.Tabla5.CondicionesparamedicionesdedifraccinderayosX.Fig.2.Resortescicladosenpruebasdefatiga.D. Mediciones realizadasConlasprobetasAlmensedesarrollaunexperimentofactorialvariandolasvelocidadesdelabandatransporta-dora y el flujo de granalla; en este caso se mide la inten-Luegodeobtenidoslosresultadosesnecesarioestable-cerlascondicionesdelanlisis,paralocualseutilizaelsoftware de anlisis de resultados con que cuenta el equi-po,serealizanajustesdelosdatosobtenidosenlasme-diciones. Se procede entonces a hacer el ajuste de back-ground(ruido),delfactordepolarizacindeLorentz,delaradiacinK-alpha2ylalocalizacindelpico,queesposiblementelacorreccinmsimportanteyquedeberealizarse una vez se tenga el pico corregido con el ruidoyelfactordepolarizacin.Conrespectoalaubicacindelpico,seutilizanbsicamentedostiposdeclculosparaladeterminacindelalocalizacindelpicodedifraccin: la primera es la ubicacin de una parbola uti-lizando el 10% del pico en su parte superior, y la segundaesutilizandounaecuacinPseudoVoihg,queempleamspuntosqueunaparbola,yqueporlotanto,gene-ralmentearrojaresultadosmsprecisos.Paraobtenerlosperfilesdeesfuerzosesnecesarioremo-vermaterialdelasuperficiedelasprobetassininducirMEJORAMIENTO DEL PROCESO DE GRANALLADO PARA RESORTES DE BALLESTA UTILIZANDO MEDICIN DE ESFUERZOS RESIDUALES POR DIFRACCIN DE RAYOS X36 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004esfuerzosadicionalesalosproductosporelgranallado,para tal fin se utiliza el electropulido[14] como una herra-mientaeficaz,paraestecaso,nuevamenteesnecesariodisearunexperimentoquepermitacontrolarlaveloci-dad de remocin de material con cierta precisin, en estaetapa se utiliza adems un micrmetro digital para deter-minarlacaparemovidaporelelectropulido.Luegodeobtenidoslosvaloresdeesfuerzosresidualesesnecesa-rioconstruirlosperfilesyencontrarlasecuacionesquemejorseajustenalascaractersticasdelperfilpormediodeunaregresinapropiada,paratalefectoserealizaunanlisisconelsoftwareCurvexpert1.3,posteriormentese realiza la correccin del perfil por la remocin de ma-terialyseaplicaregresinnuevamenteparaencontrarelperfildeesfuerzoresidualencompresinreal,dedondese extraen el valor de profundidad de esfuerzos residualesen compresin, profundidad del esfuerzo mximo y valordelesfuerzomximo.Estos valores, junto con el de intensidad Almen, constitu-yenlasvariablesrespuestadelosexperimentosplantea-dos en esta investigacin. En este caso, al igual que en eldiseodeexperimentosplanteadoconprobetasAlmen,se utiliza un nivel de confianza del 95%, y el anlisis rea-lizadoesdedosfactoresconslounareplicaparacadatratamiento.LaFigura3muestralosdatosextradosdecadaperfilencontrado.de los datos. En este experimento se realizan las pruebasde homogeneidad de varianza, independencia de los erro-res,ysevalidanlossupuestosdenormalidad,ademssejustificalautilizacindetresrplicasportratamientouti-lizandolaestadsticaapropiada[15].Tabla6.ValorespromediosdeintensidadAlmenobteni-dos.Fig.3.Datosaanalizarenlosperfilesdeesfuerzosresidualesobtenidos.III. Resultados y discusinParaelexperimentobasadoenedicindeintensidadAlmenseobtienenlosresultadosmostradosenlaTabla6,endondesepuedeobservarelarreglofactorialdelosdatos.Msadelante,enlaTabla7,semuestraelanlisisde varianza de los datos a partir del cual se deduce la nointeraccindelasvariablesflujoyvelocidaddelabandaconrespectoalavariablerespuesta;paraterminarsemuestra la Figura 3, en donde se ilustra el comportamiento* Valores promediosTabla7.Anlisisestadsticodevarianzadelosresultadosobtenidos.Senotaenelcomportamientodelosdatoslaformacindeunamesetaenlosnivelesdeintensidadde42y40Amp,connivelesdevelocidadde2,1y2,4m/min.,deigualformaseobservaquelospeoresresultadosdein-tensidadAlmenseencuentranparaelnivelde38Ampcombinado con los niveles 3,5 y 3,8m/min. de velocidaddebandatransportadora.Fig.4.ResultadosobtenidosdeintensidadesAlmen.Posteriormente,serealizaelexperimentodemedicindeesfuerzosresiduales,seobtienenresultadossimilaresalosmostradosenlaFigura4paraunpicoyparacadasuperficie.Cuandoseanalizanyorganizanlosdatosdetodaslassuperficiesdeunaprobetaseobtienenresulta-dossimilaresalosmostradosenlaFigura5.HERNNDEZ,VILORIA,ARANGO, JIMNEZ, MENDOZA, CADENA37 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004Fig.4a.ResultadosdelanlisisdeunpicodedifraccinEn el ejemplo mostrado se pueden observar las prin-cipalescaractersticasdeunperfildeesfuerzosresiduales; como se puede ver, la correccin por efec-to de la remocin de material disminuye el valor deesfuerzoresidualencompresinhacindolomspositivoporefectodelosesfuerzosliberados.Enestecasoenparticularseobtienenunaprofundidaddeesfuerzosresidualesde360micras,unaprofun-didaddeesfuerzosmximosdeaproximadamente220micrasyunvalordeesfuerzosresidualesencompresinde615MPa;estosvaloresseordenandeformatalquepermitenanalizarelefectodelasvariables modificadas sobre cada una de estas carac-tersticasdeunperfildeesfuerzosyseobtienenlosre-sultadosmostradosenlasfiguras68.Fig.5.Ejemplodemedicionesdeesfuerzosobtenidosencadaprobeta.Fig.4b.ResultadosdelanlisisdeunasuperficieMEJORAMIENTO DEL PROCESO DE GRANALLADO PARA RESORTES DE BALLESTA UTILIZANDO MEDICIN DE ESFUERZOS RESIDUALES POR DIFRACCIN DE RAYOS X38 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004El anlisis de varianza realizado para determinar la influenciade la interaccin de las variables se muestra en la siguien-tetabla.Tabla8.Anlisisestadsticodevarianzadelosvaloresdeesfuerzosresidualesmximos.Fig.6.Resumenderesultadosdeesfuerzosresidualesmximos.De la Figura 6 y de la Tabla 8 se deduce que las variablesmodificadasejerceninfluenciasobrelavariablerespues-ta(esfuerzosresidualesmximos)paraunniveldecon-fianza del 95%, y la mayor influencia la ejerce la variableflujo, al igual que en el experimento con probetas Almen.DelosresultadosmostradosenlasFiguras68yenlastablas68,seescogenporcomparacionesmltipleslascondiciones:velocidad2,1m/min.,flujo42Amp;veloci-dad2,4m/min.,flujo42Amp;velocidad3,0m/min.,flujo 42 Amp; velocidad 3,5 m/min., flujo 40 Amp; velo-cidad3,8m/min.,flujo38Amp,pararealizarlaltimaetapadelainvestigacin,queconsisteenciclarquinceresortesdeballesta(tresmuestrasporcondicin)paradeterminar el cumplimiento de los requerimientos de vidaafatigaqueestnestablecidasenlasespecificacionesdeestetipoderesortes.Losresultadosobtenidossemues-tranenlaTabla9,enellaseobservaquesetiendenapresentar resultados adecuados cuando se utilizan veloci-dadesde2,12,4m/min.,conflujoscomprendidosen-tre40y42Amp.Cuandosecaracterizanlosresortesfracturadosseobser-vaunafallarecurrente,queconsisteenunasuperficiedesgastadabrillanteacompaadaderesiduosdexidoyconampliazonadepropagacin,eliniciodegrietaentodos los casos se encontraba en la zona desgastada. EstetipodefallatienetodaslascaractersticasdelfenmenofatigaFretting,queesunadelasformasco-munesdefallasdeestoscomponentes.Enlasfiguras 911 se muestran dos fractografas don-deseobservalazonadefractura,mostrandoinicio,propagacinyrupturafinal,yunaima-gendeSEMdondesemuestraelinicio.Fig.7.Resumenderesultadosdeprofundidaddelosesfuerzosresiduales.EnlaFigura7semuestraelarreglodelosdatosdepro-fundidaddeesfuerzosresidualesyseobservaquelasvariables modificadas no ejercen influencia sobre esta va-riablerespuesta,lomismoocurreconlaFigura8quesemuestraacontinuacin.Fig.8.Resumenderesultadosdeprofundidadesdelesfuerzoresidualmximo.Tabla9.Resultadosobtenidosenlapruebadefatigadelosresortesciclados.HERNNDEZ,VILORIA,ARANGO, JIMNEZ, MENDOZA, CADENA39 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004Fig.9.Fracturaenhoja5tadelresorte6ubicadaa400mmdelaperforacincentral.sidual en compresin mximo entre 415 y 658 MPa y unapenetracindeesfuerzoresidualmximoentre110y230micras.Deigualforma,losvaloresdeesfuerzossu-perficialesresidualesdecompresinseencuentranentre45 y 443 MPa.Losperfilesdeesfuerzosresidualesgeneradosbajolascondicionesanalizadasenestatesisfueronrelativamenteprofundos,locualesbenficoparadetenergrietassu-perficialesqueestnenetapadecrecimiento;sinem-bargo,encasodequesequieradisminuirladiferenciaentre los valores de los esfuerzos superficial y mximo setienelaposibilidadderealizarvariacionesdeltamaoyvelocidad de la granalla donde segn los estudios analiza-dos stas son variables y pueden ejercer mayor influenciasobrelaprofundidadalacualsegeneranlosesfuerzosresiduales.Cuando se comparan los resultados de vida a fatiga obte-nidosdelaspruebasrealizadasenestetrabajoconlosobservados en ensayos realizados con anterioridad por laempresa IMAL S.A, se nota una tendencia hacia mayoresciclosparafallarentodoslosensayosrealizadosenelpresenteestudio,tendiendoademsapresentarlosme-joresresultadoscuandosetrabajaconlosparmetrosenlosqueseobtienemayorpenetracindeesfuerzosresidualesymejorescondicionesdeintensidadAlmen.Alobservarlascaractersticasfractogrficasdelosresor-tesenlosqueseprodujofallasincumplirlasespecifica-ciones del plano de la referencia analizada, se observa enformarecurrentelapresenciadesuperficiesdesgastadasyoxidadas,locualescaractersticodelfenmenodefa-tigadesgaste.Otroaporteimportantedelainvestigacindesarrolladaes la implementacin de controles adecuados para el pro-ceso de granallado, tales como la prueba de granulometraylasmedicionesdeintensidadAlmenenloscambiosdeturnos,yelcontroldelagranallaenestadodesuminis-tro.AportesquesirvenparaobtenermayorinformacindelasposiblesalteracionesquesepuedanpresentarenelmaterialprocesadoBibliografa[1] American Society of Materials, Electropolish Practice,ASM Handbook Vol. 10. 1993.[2]ASTME45,NonMetallicInclusionsdeterminationin Steel, American Society of Testing Materials, 1993.[3]DouglasC.Montgomery,Diseoyanlisisdeexperimentos,EditorialIberoamericana,pp.547,1991.[4]FatigueDesignHandbook,AmericanSocietyforMetals, 1982, pp 69, 1999.[5]G.E.DieterTans,AmericanSocietyMetallurgical,Vol 47, pp. 423 439, 1955.[6]H.P.Lieurade,FundamentalAspectsoftheEffectsofShotPeeningontheFatigueStrengthofMetallicParts,IRSID 78105 St-en-laye, France, pp..348349, 1986.Fig.10.Fracturaenhoja5tadelresorte6,ubicadaa400mmdelaperforacincentral.Fig.11.Iniciodegrietaenresortedeballesta,fractografadeSEM2300XIV. ConclusionesEl proceso de granallado implementado en el proceso demanufacturadelosresortesdeballestatienecomoprin-cipalfuncingeneraresfuerzosresidualesencompresinsobreelladodetensindelashojas.Lasmodificacionesenelprocesoalteranelperfildeesfuerzogenerado,ha-cindolomsomenosestrechooprofundoy/osuperfi-cial;lasvariablesmodificadasenestatesispermitieronmostrartendenciasdevariacinenprofundidadesmxi-masdeesfuerzosresidualesobteniendounesfuerzore-MEJORAMIENTO DEL PROCESO DE GRANALLADO PARA RESORTES DE BALLESTA UTILIZANDO MEDICIN DE ESFUERZOS RESIDUALES POR DIFRACCIN DE RAYOS X40 REVISTA INGENIERA E INVESTIGACIN No. 56, DICIEMBRE DE 2004[7] H.P. Lieurade, Fundamental Aspects of the effect ofshot Penning on the Fatigue Strength of Metallic Parts andStructures,InternationalConferenceonShotPenning,pp.343359, 1999.[8] M. G. Moore and W. P. Evans, Trans. 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