Tensiunile reziduale sunt acele tensiuni care raman intr-un obiect (in special, intr-o componenta sudata) chiar si in absenta incarcarii externe sau a gradientilor termici. In unele cazuri, tensiunile reziduale duc la deformari plastice semnificative, ducand la deformarea si distorsionarea unui obiect. In altele, ele afecteaza susceptibilitatea la fracturi si oboseala.
Ce cauzeaza stresul rezidual?
Tensiunile reziduale sunt generate atunci cand un obiect (in special o componenta sudata) este stresat dincolo de limita sa elastica, rezultand o deformare plastica. Exista trei motive principale pentru care apar aceste stresuri:
Variatii termice
Cand un obiect este racit de la o temperatura ridicata (de exemplu, dupa sudare), exista adesea o diferenta mare in rata de racire pe tot corpul. Diferenta de viteze de racire experimentata de suprafata si interiorul obiectului are ca rezultat variatii localizate ale contractiei termice. Contractiile termice diferite dezvolta solicitari neuniforme. In timpul racirii, suprafata se raceste intr-un ritm mai rapid, comprimand materialul incalzit in centru. Pe masura ce materialul din centru incearca sa se raceasca, este constrans de materialul exterior mai rece. In consecinta, portiunea interioara va avea o tensiune reziduala la tractiune si portiunea exterioara a componentei va avea o tensiune reziduala la compresiune.
Transformari de faza
Cand un material sufera o transformare de faza, apare o diferenta de volum intre faza nou formata si materialul inconjurator, care inca nu a suferit transformarea fazei. Diferenta de volum determina dilatarea sau contractia materialului, rezultand stres rezidual.
Prelucrare mecanica
Stresul rezidual apare, de asemenea, atunci cand deformarea plastica este neuniforma prin sectiunea transversala a unui obiect supus unui proces de fabricatie, cum ar fi indoirea, extragerea, extrudarea si laminarea. Cand un material sufera o deformare, o parte este elastica, iar alta este plastica. Odata ce sarcina este indepartata, materialul incearca sa recupereze partea elastica a deformarii, dar este inhibat de recuperarea completa datorita materialului adiacent deformat plastic.
Ce efecte au?
In functie de aplicatie, tensiunile reziduale pot fi pozitive sau negative. De exemplu, tensiunile reziduale sunt implementate in proiectarea anumitor aplicatii pentru efecte pozitive. Acest lucru poate fi realizat prin imprastiere cu laser, care confera tensiuni reziduale compresive la suprafata unui obiect, permitand intarirea sectiunilor subtiri sau intarirea suprafetelor fragile.
Totusi, de obicei, tensiunile reziduale au efecte negative. Tensiunile reziduale sunt adesea invizibile pentru producator, cu exceptia cazului in care duc la distorsiuni semnificative, dar pot afecta negativ integritatea structurala. De exemplu, structurile cu pereti grosi in stare sudata sunt mai predispuse la fracturi fragile decat o structura care a fost usurata de stres.
Stresurile nedorite au, de asemenea, un efect asupra performantei la oboseala.
S-a recunoscut mult timp ca, pentru materialele ne-sudate in conditii de incarcare la oboseala, numai partile de tractiune ale ciclului de solicitare aplicat contribuie la cresterea fisurilor de oboseala (a se vedea partea inferioara a figurii 1.) In schimb, pentru imbinarile in sudura conditia, efectele stresului rezidual de sudura trebuie adaugat la cele ale stresului ciclic aplicat, rezultand ca intregul ciclu de oboseala (de tractiune si compresiv) da nastere la deteriorarea oboselii (a se vedea partea superioara a figurii 1)
Din fericire, efectele sudarii tensiunilor reziduale atat asupra fracturii, cat si a oboselii au fost scrise in coduri si standarde in asa fel incat majoritatea utilizatorilor sa nu fie constienti de ele si nu trebuie sa le ia in considerare in mod explicit. Cu toate acestea, exista cazuri particulare in care este necesara cuantificarea tensiunilor reziduale.
Cum pot masura stresul rezidual?
Exista multe tehnici utilizate pentru masurarea tensiunilor reziduale. Acestea sunt, in linii mari, clasificate in trei domenii: distructiv, semidistructiv si nedistructiv. Abordarea care trebuie utilizata depinde adesea de informatiile necesare. Datorita complexitatii unor tehnici de masurare, masurarea trebuie efectuata intr-o instalatie specializata. Acest lucru este valabil mai ales pentru multe tehnici nedistructive.
Cele trei categorii principale sunt enumerate mai jos:
Distructiv
Aceste tehnici implica distrugerea obiectului masurat si sunt de obicei utilizate dintr-o perspectiva de cercetare si dezvoltare. Testarea distructiva este adesea mult mai ieftina de implementat decat testarea nedistructiva.
Exemple de tehnici includ:
- Metoda conturului. Metoda conturului determina stresul rezidual prin taierea unui obiect in doua bucati si masurarea hartilor inaltimii suprafetei de-a lungul planului liber creat de taietura. Conturul mediu determina deformarile cauzate de redistribuirea stresului rezidual si este utilizat pentru a calcula tensiunile reziduale printr-un model de element finit elastic al specimenului. Rezultatul este o harta 2-D a stresului rezidual normal la planul de masurare.
- Slitting. Metoda de taiere este o tehnica pentru masurarea prin grosime a stresului rezidual normal la un plan taiat printr-un obiect. Aceasta implica taierea unei fante subtiri in trepte de adancime prin grosimea piesei de prelucrat si masurarea deformarilor rezultate in functie de adancimea fantei. Stresul rezidual este apoi calculat in functie de pozitia grosimii prin determinarea rezolvarii unei probleme inverse utilizand deformari masurate.
Semi-distructiv
Tehnicile semidistructive sunt comparabile cu tehnicile distructive prin faptul ca utilizeaza un principiu de eliberare a tulpinii pentru a determina stresul rezidual. Cu toate acestea, doar o cantitate mica de material este indepartata, permitand structurii sa-si mentina mai bine integritatea.
Exemplele includ:
- Gauri adanci. Forarea cu gauri adanci implica gaurirea unei gauri prin grosimea unui obiect, masurarea diametrului gaurii, taierea unei fante circulare in jurul gaurii pentru a indeparta un miez de material din jurul gaurii si apoi re-masurarea diametrului gaurii. Stresul rezidual este determinat din schimbarea geometrica.
- Gaurirea gaurilor centrale. Forarea gaurilor centrale functioneaza pe principiul gauririi unei gauri mici intr-un obiect. Cand materialul care contine stres rezidual este indepartat, materialul ramas atinge o noua stare de echilibru, care are deformari asociate in jurul gaurii. Deformatiile din jurul gaurii sunt masurate in timpul analizei utilizand tensometre sau metode optice. Stresul rezidual original din material este calculat din deformarile masurate.
Nedistructiv
Exista numeroase tehnici utilizate pentru testarea nedistructiva, care implica masurarea efectelor relatiilor dintre solicitarile reziduale si modificarile lor materiale in spatiul retelei cristaline.
Exemple de tehnici nedistructive includ:
Difractia neutronica. Foloseste neutroni pentru a masura spatiul retelei cristaline dintr-un obiect. Neutronii care ies din obiect au energie comparabila cu neutronii incidenti, permitand determinarea stresului rezidual din spatiul retelei.
Difractia cu raze X a sincronului. Necesita un sincrotron pentru a accelera radiatia electromagnetica pentru a permite o intelegere prin grosime a unei distante intre retele. Procesul utilizeaza o abordare similara cu difractia neutronica pentru a calcula stresul rezidual.
Difractie cu raze X. Acest proces permite masurarea stresului rezidual de suprafata, deoarece raze X penetreaza suprafata obiectului doar cu cateva sute de microni.
Cum pot atenua stresul rezidual?
Exista o serie de tehnici care pot fi utilizate pentru redistribuirea sau ameliorarea stresului rezidual. Proiectarea adecvata de fabricatie si selectarea parametrilor de sudare pot reduce formarea de solicitari reziduale. De exemplu, tehnicile de procesare a sudarii care reduc gradientul termic din interiorul unui obiect vor reduce tensiunile de magnitudine generate.
Ulterior unui proces de fabricatie, pot fi luati pasi suplimentari pentru a reduce drastic tensiunile reziduale continute intr-un obiect. Acest lucru poate fi realizat prin prelucrare termica sau mecanica. Tratamentele termice post-sudura sunt adesea folosite pentru a ameliora sau redistribui tensiunile reziduale dintr-un obiect sudat. Dintr-o perspectiva mecanica, se pot aplica tehnici cum ar fi slefuirea, laminarea la rece si intinderea pentru a obtine efectul dorit.
Cum va poate ajuta TWI?
TWI ofera in prezent o serie de servicii membrilor sai in legatura cu stresul rezidual indus de proces, inclusiv:
- Masurare
- Modelare numerica
- Sfat despre:
- Impactul tensiunilor reziduale asupra integritatii structurale (in primul rand fractura si oboseala)
- Metode de reducere a stresului rezidual (de exemplu, tratament termic post-sudura, peening etc.)
- Controlul distorsiunii
In plus, mai multe proiecte NSIRC din trecut si din prezent abordeaza masurarea, modelarea sau interpretarea diferitelor aspecte ale solicitarilor reziduale de sudare.
Expertiza privind stresul rezidual la TWI acopera, prin urmare, intregul spectru de nivel de pregatire tehnologica (TRL), de la cercetarea si dezvoltarea afiliata la universitate pana la aplicarea la fata locului a masurilor de atenuare reziduala.
TWI are o lunga istorie de lucru cu membrii sai pentru a depasi provocarile asociate cu stresul rezidual. Va rugam sa ne contactati pentru a afla mai multe.