Desarrollo e integración computacional de modelos optimizados de comportamiento de materiales sometidos a elevadas velocidades de deformación en procesos de lsp

Resumen

La constante evolución de los materiales como respuesta a las necesidades demandas por la industria, exige tanto el avance como la implementación de nuevos procesos que permitan aumentar la resistencia mecánica de materiales metálicos además de su vida útil ante la gran variedad de solicitaciones a las que se enfrentan. Mediante el proceso LSP (Laser Shock Processing) se generan ondas de presión en la superficie del material que se propagan a través de este, generando tensiones residuales de compresión que limitan de manera simultánea la formación de grietas en la superficie y su propagación a través del material, aumentando en consecuencia su vida a fatiga. Este proceso se ha implementado satisfactoriamente en la industria aeroespacial, en el tratamiento de componentes de alto valor añadido. El avance exponencial de las capacidades de computación permite actualmente simular tratamientos completos que hasta hace poco eran inabordables computacionalmente. En la presente tesis, se hace uso de dichas capacidades de computación para proporcionar mejoras sustanciales en lo que se refiere a los modelos de material utilizados en LSP. Se comienza detallando la teoría de propagación de ondas y los ciclos de tensiones experimentados por el material impactado, justificándose la necesidad de incorporar algunos elementos en los modelos avanzados de material: La consideración explícita de la plasticidad cíclica en el modelado de materiales sometidos a tratamientos intensos y la incorporación de la anisotropía en las curvas de tensión-deformación en materiales altamente anisótropos. Se presenta una metodología detallada para la completa implementación de cada modelo, particularizada para algunas aleaciones de aluminio (Al 2624 T351 y Al 2624 T39) y de magnesio (Mg AZ31B). Dicha metodología es de carácter general y puede ser adaptada al estudio de cualquier material de interés. Una vez preparados los modelos, se presentan los resultados obtenidos en diferentes condiciones de tratamiento, tanto las predicciones numéricas como los resultados experimentales. Se confirma que los nuevos modelos implementados proporcionan, en general, un mejor ajuste teórico-experimental. Se comienza con tratamientos sencillos sobre geometrías sencillas, que permiten validar los modelos, y se termina con casos más complejos, como tratamientos sobre especímenes con entalla, diseñados para posteriores ensayos a fatiga. En líneas generales, los modelos isotrópicos convencionales predicen un aumento no limitado de las tensiones residuales de compresión a medida que incrementa la densidad del tratamiento. Este hecho contrasta con la tendencia a la saturación que se observa experimentalmente. Dicha saturación queda convenientemente caracterizada en el modelo implementado en la tesis, al considerar explícitamente el comportamiento cíclico del material. Se observa experimentalmente que, tanto para densidades de tratamiento de 278 pulsos por cm2 como 625 pulsos por cm2, las tensiones residuales son muy similares. Este hecho queda correctamente caracterizado por el modelo combinado, que incluye el comportamiento cíclico del material, mientras que el modelo isotrópico predice incorrectamente compresiones mucho más altas para el tratamiento de alta densidad, especialmente en las proximidades a la superficie. Por otro lado, en materiales altamente anisotrópicos, como la aleación Mg AZ31B, se hace preciso la consideración explícita de la anisotropía de las curvas tensión-deformación, en combinación con su orientación relativa con respecto a diferentes direccionalidades de tratamiento posibles, hecho queda patente en las dos densidades ensayadas (225 y 400 pulsos por cm2). Los resultados demuestran que las máximas compresiones se obtienen según la dirección de avance del spot, lo que sugiere que, al menos en la aleación estudiada, la propia direccionalidad del tratamiento tiene una mayor relevancia en la anisotropía de los estados compresivos introducidos. Sin embargo, se obtienen predicciones más precisas en el modelo implementado, al tener en cuenta ambos factores.