In metalli a freddo, questi stress derivano da processi come laminazione, la forgiatura, il disegno o la piegatura eseguita a temperatura ambiente. Capire il ruolo delle tensioni residue è essenziale perché possono influenzare significativamente le prestazioni meccaniche, la durata della fatica e le modalità di guasto. Questo articolo esplora la natura di problemi residui in metallo.

Cosa sono le Stresse Residui?

Gli stress interni sono auto-equilibranti, che esistono in un materiale in assenza di forze esterne o gradienti termici. Sono un risultato diretto di deformazione plastica non uniforme, trasformazioni di fase o gradienti termici durante la lavorazione. In metalli lavorati a freddo, gli stress residui sono causati principalmente da deformazione plastica inomogenea a temperatura ambiente.

Lo stress residuo può essere sia trasile (scaricando il materiale a parte) o compressione (pushing the material together). La loro distribuzione in tutta la sezione trasversale dipende dalle specifiche proprietà di processo e materiale di lavorazione a freddo. In genere, i fogli laminati a freddo presentano tensioni residue alla superficie e la compressione nel nucleo, mentre le barre a freddo hanno spesso stress di superficie di compressione e tensioni nucleo.

Origine delle Stresse Residui in Metalli Lavorati Freddo

Meccanismi della generazione di Stress

Durante il lavoro a freddo, il metallo subisce deformazione plastica a temperature inferiori al punto di ricristallizzazione. Questa deformazione è raramente uniforme attraverso la sezione trasversale. Gli strati superficiali possono deformare più delle regioni interne a causa di attrito con utensili, stampi o rulli. Il gradiente risultante in tensione plastica crea un errore di sforzo elastico su scarico, dando luogo a tensioni residue.

  • Laminazione a freddo[] – La laminazione a fogli e la laminazione produce tensioni superficiali e tensioni di compressione a causa della deformazione superficiale grave e della geometria del lavandino.
  • Disegno a freddo[[] – Il filo, la barra e il tubo disegnano le sollecitazioni della superficie di compressione (beneficiale per la fatica) ma le tensioni nel centro se la riduzione è eccessiva.
  • In attesa e formatura[[] – Bending introduce un gradiente di stress lineare attraverso lo spessore, con tensioni traslative sul raggio di curva esterna e compressione sul raggio di curva interna.
  • Peening di stomaco[[] – Un trattamento superficiale che introduce intenzionalmente stress residui di compressione per migliorare la vita di fatica, anche se crea tensioni più profonde sotto la superficie.
  • Grinding e lavorazione[[] – Queste operazioni di finitura possono indurre tensioni superficiali residue dovute ad effetti termici e meccanici.

Fattori che influenzano la Magnitudine e la distribuzione di stress residuo

Diversi fattori influiscono sulla grandezza e sulla distribuzione di sollecitazioni residue nei metalli lavorati a freddo:

  • Degree of deformation[[] – Le riduzioni più elevate producono generalmente maggiori sollecitazioni residue, fino a un punto di saturazione vicino alla forza di resa del materiale.
  • Proprietà materiali[[] – Forza di snervamento, tasso di indurimento e livelli di stress influenza del modulo elastico.
  • Geometria[[] – Spessore, larghezza e forma influenzano la distribuzione dello stress.
  • Parametri di elaborazione[[] – Velocità, lubrificazione, temperatura (perfino variazioni di temperatura ambiente), e condizione degli strumenti tutti svolgono un ruolo.
  • Le operazioni di montaggio a freddo, trattamento termico o finitura superficiale possono alterare o alleviare le tensioni residue esistenti.

Misurazione e caratterizzazione delle tensioni residenziali

La misurazione accurata delle sollecitazioni residue è fondamentale per comprendere il loro impatto sul fallimento.

Metodi distruttivi

  • Metodo di guida per l'alloggiamento[[[] – Un piccolo foro viene perforato nel componente, e il conseguente sollievo della tensione viene misurato con i manometri di sforzo. Questa tecnica standard (ASTM E837) fornisce profili di stress vicino alla superficie.
  • Metodo di conversione[[] – La parte viene tagliata lungo un piano, e si misura il contorno superficiale del taglio. Applicando la sovrapposizione elastica, si può ricostruire il campo di stress residuo normale al piano di taglio.
  • Metodi di dissezione[[] – La riduzione del componente in piccoli pezzi consente la misurazione di ceppi rilasciati.

Metodi non distruttivi

  • diffrazione a raggi X (XRD)[] – Misura la tensione reticolare nei materiali cristallini rilevando i cambiamenti nei picchi di diffrazione. XRD è sensibile alla superficie (di solito 10-20 μm di profondità) ma può essere combinato con la rimozione dello strato per ottenere profili di profondità.
  • Diffrazione Neutron[[] – Simile a XRD ma utilizza neutroni che penetrano molto più in profondità (centimetri) e possono mappare lo stress residuo in tre dimensioni.
  • Metodi a ultrasuoni[[] – La velocità delle onde ultrasuoni cambia con lo stress attraverso l'effetto acoustoelastic.
  • I metodi magnitici[] – Il rumore di Barkhausen e i domini magnetici sono sensibili allo stress.

Ogni metodo ha scambi di risoluzione spaziale, profondità di penetrazione, accuratezza e costi.Per l'analisi di guasti, combinando tecniche distruttive e non distruttive spesso fornisce l'immagine più completa.

Impatto di Residual Stresses su guasto materiale

Gli stress residenziali possono rafforzare o indebolire un componente metallico, a seconda del segno, della grandezza e della distribuzione rispetto ai carichi applicati, e agiscono come campo di stress preesistente che interagisce con gli stress di servizio. L'effetto netto è quello di aumentare o diminuire lo stress totale sperimentato dal materiale in luoghi critici.

Effetti sulla Fatica e la Frattura

La tensione residua stress alla superficie è particolarmente dannosa perché le fessure di fatica tipicamente iniziano in superficie sotto carico ciclico. Uno stress residuo di trazione aggiunge allo stress di trazione applicato, aumentando efficacemente lo stress medio e riducendo il limite di fatica. Questo può portare a iniziazione precoce e velocità di propagazione fesssura più rapida.

Per la frattura sotto carico monotonico, gli stress residui influiscono sul fattore di intensità dello stress a punte di crepa. Un campo di stress residuo di trazione aumenta l'intensità di stress efficace, potenzialmente causando frattura instabile a carichi applicati più bassi.

Effetti sul Cratere di Corrosione di Stress (SCC)

Lo stress della corrosione richiede un materiale suscettibile, un ambiente corrosivo e uno stress trasile. Le tensioni di trazione sono spesso la fonte primaria di stress nei guasti della SCC, soprattutto nei componenti che non sono pesantemente caricati esternamente. Ad esempio, gli acciai inossidabili a freddo e leghe di alluminio in ambienti aggressivi possono fallire da SCC a causa di tensioni residue da soli.

Effetti sull'embrittlement dell'idrogeno

Gli atomi idrogeno si diffondono nel metallo e si concentrano in regioni di alto stress idrostatico, come ad esempio davanti a punte di crepa o a inclusioni. Le tensioni di trazione residenziali aumentano la solubilità dell'idrogeno locale e promuovono l'iniziazione e la propagazione della crepa. Gli acciai ad alta resistenza e alcune leghe di titanio sono particolarmente sensibili al minimo rischio di lavoro.

Effetti sulla distorsione e sulla stabilità dimensionale

Se la distribuzione dello stress non è in equilibrio, rimuovere le sollecitazioni e causare la deformazione del materiale, è un problema comune in componenti di precisione realizzati con magazzino a freddo. Inoltre, le tensioni residue possono rilassarsi nel tempo (anche a temperatura ambiente) a causa della microplasticità, portando all'instabilità dimensionale in strumenti di precisione o componenti strutturali.

Meccanismi falliti triggeri da Residual Stresses

Prematura del fallimento della fatice

Uno degli scenari di guasto più comuni comporta tensioni residue traslitte riducendo la resistenza alla fatica sotto i livelli previsti. Ad esempio, i fili a freddo hanno spesso sollecitazioni di superficie trasile che abbassano il limite di fatica, portando a inaspettati guasti in molle, cavi e chiusure.

Frattura di sovraccarico statico

I componenti contenenti stress ad alta trazione possono fratturare sotto carichi applicati ben al di sotto della resistenza nominale del materiale. Ciò è particolarmente pericoloso negli acciai temprati e quenched, dove le sollecitazioni residue si combinano con gli stress applicati per superare la resistenza alla trazione finale localmente.

Cracking ritardato e Cracking di Quench

Lo stress residuo dal lavoro freddo può causare crepature che appaiono ore o giorni dopo l'elaborazione, noto come cracking ritardato. Questo è spesso osservato in parti profonde o severamente formate dove la combinazione di alta tensione residua e idrogeno ambientale porta alla crescita di crepe dipendente dal tempo.

Inadempimento di uno Stato - Mancato

Quando i metalli lavorati a freddo sono saldati o uniti ad altri materiali, la combinazione di stress residui da lavoro a freddo e saldatura può creare complessi stati di stress che promuovono la crepatura. Ad esempio, tubi in acciaio inossidabile a freddo saldati in in intestazioni possono sperimentare la corrosione di sforzo che si rompe vicino alla zona termo-alterata della saldatura a causa della sovrapposizione di saldature e stress residui a freddo.

Gestione delle Stresse Residui in Metalli Lavorati Freddo

Gli ingegneri impiegano varie tecniche per controllare gli stress residui durante il processo di produzione, dal design al trattamento finale. L'obiettivo è quello di ridurre le tensioni dannose o convertirle in stress di compressione vantaggiosi.

Rilievo di stress Annealing

Riscaldamento del metallo a una temperatura subcritica (tipicamente 400-700°C per gli acciai, a seconda della lega) e tenendo abbastanza a lungo per consentire il rilassamento dello stress da strisciare e il recupero, quindi il raffreddamento lentamente, riduce le sollecitazioni residue senza alterare significativamente le proprietà meccaniche del materiale.

Rilievo vibrante di stress

Questa tecnica applica vibrazioni cicliche a bassa luminosità al componente, causando deformazione di microscala in plastica che rilassa le sollecitazioni residue. È particolarmente utile per le grandi strutture in cui il sollievo dallo stress termico è impraticabile.

Trattamenti di superficie

I trattamenti superficiali sono ampiamente utilizzati per introdurre le sollecitazioni residue di compressione benefiche sulla superficie:

  • Peening di botto[[] – Bombarding la superficie con piccoli colpi sferico (acciaio, vetro, ceramica) crea uno strato di stress residuo di compressione tipicamente 0.1-0.5 mm di profondità. Migliora notevolmente la durata di fatica di molle, ingranaggi e alberi.
  • I picchi di urto del laser[[] – Utilizza impulsi laser ad alta energia per creare plasma che genera stress di compressione più profondi del tradizionale colpo di peening (fino a 1-2 mm).
  • Peening ultrasuoni[] – Simile al peening dei colpi ma utilizza vibrazioni ultrasuoni per accelerare i colpi, offrendo un controllo più sottile.
  • Il brunimento del rullo[[] – Un rullo liscio sotto pressione ad alta deforma plasticamente la superficie, producendo stress di compressione e una migliore finitura superficiale.

Parametri di lavorazione controllati

Ad esempio, con riduzioni più piccole con anneals intermedi, ottimizzando la lubrificazione, controllando la geometria del rullo, e applicando tensioni posteriori possono causare una deformazione più uniforme e tensioni più basse. La modellazione degli elementi finiti viene sempre più utilizzata per prevedere e ottimizzare questi parametri.

Modificazioni di progettazione

Le variazioni nella progettazione dei componenti possono ridurre l'impatto delle sollecitazioni residue. Utilizzando radii di filetto più grandi, evitando le tacche affilate, e assicurando le sezioni simmetriche riducono la concentrazione di stress e gli effetti dannosi delle tensioni residue. In alcuni casi, la progettazione della sequenza di elaborazione per creare modelli di stress residuo benefico (ad esempio, autofrettage dei vasi di pressione) è utilizzata.

Tecniche di post-processsing

Altri metodi includono:

  • Trattamento criogenico[[] – Il congelamento profondo può rilassare lo stress in alcuni metalli.
  • Elettropolishing e etching chimico[[] – Rimozione di strati superficiali che contengono tensioni residue.
  • raddrizzamento meccanico[[] – Può introdurre nuove tensioni residue; deve essere controllato con attenzione.

Applicazioni e considerazioni pratiche

La gestione dello stress è fondamentale in molti settori. In aerospaziale, i dischi delle turbine e le lame dei compressori sono girati per mitigare la fatica dai carichi ciclici. In automobilistico, molle delle sospensioni e barre di collegamento si basano su sollecitazioni di compressione controllate per la durata.

È importante notare che gli stress residui non sempre causano guasti. Infatti, gli stress residui benefici sono spesso progettati in componenti intenzionalmente. Ad esempio, l'autofrettage di canne da fucile e vasi ad alta pressione crea stress residui di compressione che aumentano la capacità di pressione di lavoro. La chiave à ̈ capire l'intero stato di stress del servizio, tra cui stress residui, carichi applicati e fattori ambientali, per prevedere il fallimento con precisione.

Conclusioni

Gli stress residui sono una conseguenza inseparabile dei processi di lavorazione del freddo e svolgono un ruolo decisivo nel fallimento dei componenti metallici. Lo stress residuo della tensione riduce la vita affaticata, promuove la corrosione dello stress e può causare la frattura prematura, mentre gli stress residui della compressione sono spesso vantaggiosi e sono intenzionalmente introdotti per migliorare le prestazioni.

Per ulteriori informazioni sulla teoria dello stress residuo, gli standard di misura e le pratiche di gestione, si rimanda alle norme ASM International] della serie di manuali [ASTM per la misurazione dello stress residuo (E837, E1426), e Articolo di Wikipedia sullo stress residuo