Simulación numérica del temple por inducción en aceros de baja aleación y análisis de la influencia de las tensiones residuales en el rolling contact fatigue

Abstract

El proceso de temple por inducción es una técnica de endurecimiento superficial que utiliza cada vez más en la industria debido a las ventajas que ofrece sobre otros tratamientos térmicos más convencionales. Habitualmente se utiliza en componentes críticos que están sometidos a cargas elevadas y a contactos de alta presión, lo que requiere una elevada dureza superficial. A pesar de que el interés de la industria en este tratamiento térmico es relevante, la definición de los parámetros más determinantes del proceso está generalmente limitado de forma empírica al know-how de los técnicos y a la experiencia previa de los agentes del sector, aumentando los costes asociados y el time-to-market, puesto que el diseño del proceso normalmente se realiza mediante procedimientos de prueba-error. Al ser un proceso multifísico con numerosas interacciones entre campos físicos, la simulación del temple por inducción es altamente compleja y computacionalmente muy costosa. En la revisión de la literatura se ha observado que la aplicación del temple por inducción en componentes complejos industriales se ve obstaculizada por la falta de modelos numéricos capaces de predecir sus consecuencias. La simulación numérica es, por lo tanto, clave en la definición optimizada del proceso y su implementación eficaz en la industria moderna. Además, el estudio de las implicaciones que el temple por inducción tiene en el comportamiento en servicio de los componentes endurecidos, como es el caso de la fatiga, es una tarea a la que ingenieros y científicos han dedicado su atención en los últimos años, aunque aún no está del todo resuelto.En esta tesis doctoral se aborda la problemática de la simulación del proceso de temple por inducción para tratar de solventar las limitaciones encontradas en la literatura. Se ha trabajado en el desarrollo de un modelo numérico para simular la fase de calentamiento por inducción de materiales ferromagnéticos de forma eficiente, acoplando los campos electromagnético y térmico a través de un modelo semi-analítico. Este modelo se ha validado experimentalmente en cilindros del acero de baja aleación 42CrMo4 obteniendo resultados más precisos y un 80 \% más rápidos que utilizando softwares comerciales ya existentes. Adicionalmente, se ha desarrollado un modelo multifísico acoplado para simular la fase de enfriamiento del proceso de temple por inducción. Este modelo acopla las físicas térmica, mecánica y microestructural y se ha validado experimentalmente en términos de predicción de microestructura, dureza y generación de tensiones residuales. El modelo desarrollado, a diferencia de otros softwares comerciales, permite evaluar el impacto que tienen en los resultados del proceso las diferentes aproximaciones de cálculo de los fenómenos que ocurren durante el temple. En esta tesis, se ha investigado el impacto del Transformation Induced Plasticity (TRIP) en el acero 42CrMo4, concluyendo que los modelos de cálculo deberían incluir este efecto para mejorar las predicciones de tensiones residuales. Finalmente, se han combinado los modelos de simulación desarrollados con técnicas experimentales para investigar la influencia de las tensiones residuales en el comportamiento a rolling contact fatigue (RCF) en cilindros templados por inducción. En este estudio, se ha desarrollado una metodología de cálculo para incorporar las tensiones residuales en los análisis de vida a RCF y se ha estudiado la influencia de las tensiones residuales numérica y experimentalmente mediante un ensayo de three-ball-on-rod modificado. Se ha observado que las tensiones residuales de compresión en la superficie extienden la vida del componente y modifican la profundidad a la que se produce el daño más crítico. Para el análisis numérico se ha utilizado el criterio multiaxial de Dang Van y se han comparado tres magnitudes de cortadura críticas (Tresca, cortadura ortogonal y cortadura octaédrica) en términos de predicción de vida útil y localización del daño crítico. Los resultados numéricos y experimentales indican que la magnitud de cortadura ortogonal predice resultados más precisos. Se espera que las contribuciones realizadas en esta tesis doctoral reduzcan la actual brecha entre los modelos simplificados generalmente desarrollados en la literatura y los casos industriales de mayor complejidad, permitiendo que los procedimientos empíricos de prueba-error se reduzcan considerablemente y aumentando el control sobre el resultado obtenido con el proceso. Con este cambio de paradigma, se espera obtener mayor eficiencia en términos económicos, temporales y energéticos a nivel industrial, reduciendo también el número de defectivos.