Análisis del shot peening como paliativo en fatiga por fretting

Abstract

La fatiga por fretting es un tipo especial de fatiga que se produce en las superficies de contacto de uniones mecánicas tales como uniones atornilladas, uniones roblonadas, álabes de turbinas, uniones de ejes, cables metálicos trenzados o rotores de generadores. Con la intención de aumentar la vida de estos componentes bajo el efecto de la fatiga por fretting, en la industria es bastante usual aplicar el tratamiento superficial de shot peening sobre estos componentes mecánicos. Esto es debido a que durante la fatiga por fretting se producen unas altas tensiones y deformaciones en las superficies en contacto y que además presentan altos gradientes (variación muy rápida con respecto a la profundidad). Este tratamiento introduce tensiones residuales de compresión y transforma la microestructura del material en las cercanías de la superficie, además de producir un importante aumento de la rugosidad superficial. Los altos valores de tensiones y deformaciones producidos por la fatiga por fretting dan lugar a una pronta nucleación/iniciación de grietas tanto en la superficie como internamente y su posterior propagación hasta la rotura completa de la pieza. Además, se producen daños superficiales tales como el desgaste de la capa superficial y la oxidación del material. En ocasiones estas distribuciones de tensiones llegan a profundidades similares a aquellas en donde se produce la máxima tensión de compresión debida al tratamiento de shot peening. Por este motivo el shot peening es un buen paliativo de la iniciación o propagación de pequeñas grietas e incluso elimina la aparición de estas en algunas condiciones. Así, una pieza con este tratamiento puede alcanzar vidas a fatiga por fretting mucho más altas que sin él, incluso no romper. Además de estas tensiones residuales de compresión, el shot peening, tiene otras consecuencias como la alteración y modificación de las características microestructurales haciendo el que material se endurezca en la zona afectada por el shot peening. Otra de las consecuencias es la alteración de la rugosidad superficial de las probetas tratadas. Estos aspectos, que aun influenciando enormemente en el comportamiento frente a la fatiga por fretting, no se han estudiado en profundidad en la bibliografía. Por ello en esta tesis se estudia el efecto producido por el shot peening en una serie de ensayos de fatiga por fretting. Estos ensayos se hicieron con contacto cilíndrico, donde se tiene una alta concentración de tensiones en el borde de dicho contacto con un alto gradiente de tensiones en función de la profundidad. Anteriormente en el grupo de investigación al que este proyecto pertenece, se han realizado exhaustivos estudios sobre fatiga por fretting con contacto esférico y el efecto de las tensiones residuales generados por diferentes tratamientos superficiales tales como es el shot peening y el láser peening. Para estudiar el efecto causado por el tratamiento superficial de shot peening en fatiga por fretting con contacto cilíndrico se realizaron una serie de ensayos de fatiga por fretting en las que algunas probetas estaban tratadas con shot peening y otras no. El material empleado en la fabricación de las probetas para los ensayos fue el Al-7075-T651 de amplio uso en la industria aeroespacial. Se realizaron ensayos con diferentes combinaciones de cargas que crean distintos estados tensionales. De esta forma se puede ver con qué combinaciones de carga es más o menos efectivo el tratamiento de shot peening. Por otra parte, estudios previos realizados en este grupo de investigación, mostraron que ante una situación de fatiga por fretting, superficies con una cierta textura o rugosidad pueden producir mejoras sustanciales en la vida a fatiga por fretting. Para comprobar este supuesto se han realizado una serie de ensayos específicos, dos tipos de ensayos en probetas sin tensiones residuales inducidas por el shot peening donde a las probetas de uno de los tipos de ensayo se les alteraba la rugosidad superficial para reproducir la rugosidad producida por el shot peening. Otros dos tipos de ensayos eran en probetas con shot peening donde a las probetas de uno de estos tipos de ensayos se eliminaba la rugosidad por pulido. Al igual que la rugosidad, en esta tesis se estudian y cuantifican los efectos causados por la relajación de tensiones residuales, hecho que afecta a la vida a fatiga por fretting debido a que esta relajación de tensiones residuales puede llegar a alcanzar hasta un 50% según estudios anteriores. Una vez finalizados los ensayos se han analizado las superficies de fractura, grietas y huellas marcadas por los contactos en todas las probetas ensayadas. Así, se han ver los daños producidos durante un ensayo, evaluarlo y compararlo con diferentes probetas ensayadas. Todo este se ha realizado como paso previo para continuar y estudiar nuevos métodos de predicción de vida en fretting fatiga.

Fretting fatigue is a special type of fatigue that occurs on the contact surfaces of mechanical joints such as bolted connections, riveted joints, turbine blades, axle joints, braided metal cables or generator rotors. With the intention of increasing the life of these components under the effect of fretting fatigue, in the industry it is quite usual to apply the surface treatment of shot peening on these mechanical components. This is due to the fact that during fretting fatigue there are high stresses and strains in the surfaces in contact and that they also have high gradients (very fast variation respect to the depth). This treatment introduces residual stresses of compression and transforms the microstructure of the material in the vicinity of the surface, in addition to producing a significant increase in surface roughness. The high values of stress and strain that fretting fatigue produced give rise to an early nucleation/initiation of cracks both on the surface and internally and its subsequent propagation until the complete breakage of the piece. In addition, surface damage occurs such as the wear of the surface layer and the oxidation of the material. Sometimes these stress distributions reach depths similar to those where the maximum compression stress due to the shot peening treatment occurs. For this reason the shot peening is a good palliative of the initiation or propagation of small cracks and even eliminates the appearance of these in some conditions. Thus, a piece with this treatment can achieve lives to fretting fatigue much higher than without it, not even breaking. In addition to these residual stresses of compression, the shot peening, has other consequences such as the alteration and modification of the microstructural characteristics making the material harden in the area affected by the shot peening. Another consequence is the alteration of the surface roughness of the treated specimens. These aspects, which although greatly influencing the behavior against fretting fatigue, have not been studied in depth in the literature. Therefore, in this thesis the effect produced by the shot peening in a series of fretting fatigue tests is studied. These tests were made with cylindrical contact, where there is a high concentration of stresses at the edge of said contact with a high stress gradient as a function of depth. Previously in the research group to which this project belongs, exhaustive studies on fretting fatigue with spherical contact and the effect of residual stress generated by different surface treatments such as shot peening and laser peening have been carried out. To study the effect caused by the superficial treatment of shot peening in fretting fatigue with cylindrical contact, a series of fretting fatigue tests were carried out in which some test tubes were treated with shot peening and others were not. The material used in the manufacture of the test specimens for the tests was the Al-7075-T651 widely used in the aerospace industry. Tests were performed with different load combinations that create different tension states. In this way it can be seen with what load combinations the shot peening treatment is more or less effective. On the other hand, previous studies carried out in this research group showed that in the face of fatigue fretting, surfaces with a certain texture or roughness can produce substantial improvements in fretting fatigue life. To verify this assumption, a series of specific tests have been carried out, two types of tests on specimens without residual stresses induced by shot peening, where the test specimens of one of the test types were altered the surface roughness to reproduce the roughness of shot peening. Two other types of tests were in shot peening specimens where the test specimens of one of these types of tests removed the roughness by polishing. Like the roughness, this thesis studies and quantifies the effects caused by the residual stress relaxation, a fact that affects the fretting fatigue life because this relaxation can reach up to 50% according to previous studies. Once the tests were completed, the fracture surfaces, cracks and contact traces by the contacts in all the tested specimens were analyzed. Thus, we have seen the damage produced during a test, evaluate it and compare it with different test specimens. All this has been done as a previous step to continue and study new methods of life prediction in fretting fatigue.