Tensiunea reziduală

Toate tensiunile care apar în materiale chiar și în absența unor sarcini externe de orice fel se numesc tensiuni reziduale .

Definiția residual stress

Tensiunile reziduale pot fi, prin urmare, inițial prezente în componentă chiar și fără știrea noastră: la fel ca orice altă tensiune, ele sunt compuse din tensiunile induse de sarcinile aplicate. ^[1]

Tendința tensiunilor datorate îndoirii
Tendința tensiunilor reziduale generate de procesul de șlefuire
Compoziția tensiunilor în timpul funcționării componentei mecanice (îndoire + șlefuire)

Tensiunile reziduale generează un câmp de tensiune de auto-echilibrare, având astfel un moment rezultant și rezultant zero:

$\int \sigma \centerdot dy=0$ ${\ displaystyle \ int \ sigma \ centerdot dy = 0}$ ${\ displaystyle \ int \ sigma \ centerdot dy = 0}$

$\int y\centerdot \sigma \centerdot dy=0$ ${\ displaystyle \ int y \ centerdot \ sigma \ centerdot dy = 0}$ ${\ displaystyle \ int y \ centerdot \ sigma \ centerdot dy = 0}$

Originea tensiunilor reziduale

Tensiunile reziduale pot proveni din următoarele procese:

Procese de fabricație (de exemplu, prelucrarea mecanică pentru deformarea plastică, îndepărtarea așchilor, sudarea , forjarea )
Tratamente mecanice ( de exemplu , împușcat Prelucrare stropire , sablarea, rulare )
Tratamente termice și termochimice (de exemplu, călire , recuperare , cimentare , nitrurare )
Metode de montare (de ex. Forțare).

Sectoare de interes pentru analiza tensiunilor reziduale

Studiul, analiza și determinarea tensiunilor reziduale prezintă un interes considerabil în multe domenii ale industriei mecanice.

Principalele domenii de interes ale stresurilor reziduale sunt:

Industrie aerospatiala
Industria auto (producție de serie / concursuri)
Industria feroviară
Industria petrolului și gazului (piese pentru compresoare și turbine)
Industria energetică (centrale cu aburi, eoliene și nucleare)

Determinarea preventivă a tensiunilor reziduale permite optimizarea procesului de proiectare a componentelor mecanice, evitându-se astfel apariția oricăror rupturi sau defecțiuni nedorite (datorită sarcinilor statice sau oboselii). Mai mult, măsurarea tensiunilor reziduale permite verificarea calității și conformității pieselor mecanice ( metal , compozit , polimeric ) cu specificațiile definite în faza de proiectare.

Influența tensiunilor reziduale

Propagarea fisurilor: un câmp de tensiune superficială reziduală compresivă se opune propagării lor.

Tensiunile reziduale, prin urmare, influențează comportamentul componentelor mecanice, compromitând stabilitatea lor structurală și dimensională, precum și rezistența lor la rupere și oboseală : cu titlu de exemplu, o stare de tensiune reziduală facilitează propagarea unei posibile fisuri și prin urmare reduce durata de oboseală a unei componente mecanice.

Prin urmare, solicitările reziduale limitează capacitatea de încărcare și siguranța componentelor mecanice în timpul funcționării lor și pot găsi un răspuns eficient numai dacă sunt cunoscute atât cantitativ, cât și calitativ.

Cunoașterea gradului de solicitări reziduale este de o importanță fundamentală în special în proiectarea componentelor mecanice, deoarece permite detectarea datelor utile pentru implementarea deciziilor fundamentale pentru definirea ciclului de lucru al componentei (procese de îndepărtare, tratamente termice sau mecanice).

Acest aspect este deosebit de important în toate acele faze care pot modifica structura, forma și dimensiunile componentelor pentru a elimina apariția rupturilor de material, a opririlor mașinii sau a defecțiunilor mecanice. ^[2]

Metode de măsurare a tensiunilor reziduale

Există diverse metode pentru determinarea tensiunilor reziduale. ^[3]

Aceste metode pot fi împărțite în funcție de gradul de daune pe care îl cauzează în particularul investigat ^[4] .

În special, acestea sunt împărțite în:

Metode distructive
Metode semidistructive
Metode nedistructive

Metodele nedistructive sunt metode care nu cauzează deteriorarea componentului investigat: dimpotrivă, metodele distructive compromit definitiv utilizarea piesei mecanice analizate. Metodele semi-distructive, pe de altă parte, sunt metodele care cauzează o mică deteriorare a suprafeței detaliului, dar care nu compromit posibilitatea de utilizare și, prin urmare, funcționalitatea sa.

În alegerea celei mai adecvate metode de măsurare, este esențial să se cunoască adâncimea (în mm) a investigației și, de asemenea, materialul părții mecanice analizate.

Mai ales în ceea ce privește profunzimea maximă a investigației, este bine să rețineți că numai metodele semi-distructive și distructive permit analiza precisă a tensiunilor reziduale din grosimea piesei (prin urmare, nu se limitează la o analiză a tensiunilor reziduale prezent doar la suprafață).

Metode distructive

Metodele distructive pentru măsurarea tensiunilor reziduale se bazează pe măsurarea deformării în urma îndepărtării (tăiere, strunjire) a unei părți a materialului care constituie specimenul.

În urma tăierii sau prelucrării mecanice, echilibrul tensiunilor prezent inițial în piesă este modificat: efectul este deformarea piesei.

Astfel de tulpini sunt în general măsurate folosind un dispozitiv de măsurare a tensiunii , o mașină de spălat de presiune sau un lanț special de măsurare a tensiunii.

Metoda de secționare

Metoda de secționare ^[5] este o metodă distensivă de măsurare a tensiunii pentru măsurarea tensiunilor reziduale pe componentele mecanice.

Metoda se bazează pe tăierea componentei analizate în mai multe părți și pe măsurarea ulterioară a deformațiilor produse după operația de tăiere.

Deformațiile se măsoară prin aplicarea manometrelor și a șaibelor de manometru poziționate corespunzător în apropierea zonelor de tăiere.

O definiție exactă a poziției și a numărului de tăieturi care trebuie efectuate permite determinarea intervalului de tensiune reziduală prezent inițial în componenta mecanică.

Această metodă este răspândită în domeniul feroviar pentru determinarea eforturilor reziduale pe osii și șine.

Metoda de strunjire a tubului intern sau extern (metoda Sachs)

Metoda de strunjire a tubului intern sau extern (sau metoda lui Sach) ^[6] este o metodă distructivă de măsurare a tensiunii prin măsurarea tensiunilor reziduale pe componentele cilindrice.

Metoda constă în aplicarea unei mașini de spălat de presiune pe suprafața internă sau exterioară a piesei cilindrice și să se efectueze o îndepărtare a materialului (pe partea opusă față de mașina de spălat de presiune) prin intermediul unei operații de îndepărtare a așchilor prin rotire .

Prin măsurarea acestor deformații axiale și transversale este, prin urmare, posibil să se calculeze tensiunile reziduale prezente inițial în particularul examinat.

Metoda de îndepărtare a straturilor

Metoda de îndepărtare a stratului ^[6] este o metodă distructivă de măsurare a tensiunii pentru măsurarea tensiunilor reziduale pe componentele plane.

Metoda constă în aplicarea unei mașini de spălat de presiune pe o suprafață a componentei și realizarea acesteia prin îndepărtarea mecanică a materialului (pe partea opusă față de mașina de spălat de presiune) prin intermediul unei operații de îndepărtare a așchiilor prin frezare .

Prin măsurarea acestor deformații axiale și transversale este, prin urmare, posibil să se calculeze tensiunile reziduale prezente inițial în particularul examinat.

Metode semidistructive

Metodele semi-distructive se bazează pe realizarea unei mici prelucrări pe suprafața mecanică a unei piese mecanice în vecinătatea unei mașini de spălat speciale cu 3 rețele lipite anterior ^[7]

Aceste metode găsesc o difuzie foarte largă, deoarece permit efectuarea măsurătorilor cu ușurință și la un cost redus.

Mai mult, disponibilitatea mare a șaibelor de măsurare a tensiunii de diferite dimensiuni și configurații permite aplicarea metodei într-un mod aproape universal în ceea ce privește geometria și materialul care constituie piesa analizată.

Există, de asemenea, pe piață instrumente, atât automate, cât și neautomatice ^[8] , special dezvoltate pentru efectuarea unor astfel de măsurători: din acest motiv, aceste metode sunt utilizate pe scară largă și, prin urmare, pot fi utilizate pentru aplicații în laborator sau pe teren ^{[9] ]} ^[10] .

Metoda gaurilor

Metoda găurii (sau găuririi găurilor) constă în realizarea unei găuri mici (aproximativ 1,8 - 2,0 mm) în centrul unei mașini de spălat speciale cu 3 grile care modifică starea de deformare inițială permițând redistribuirea tensiunilor reziduale. acumulat în interiorul materialului ^[11] .

Deformațiile care sunt astfel determinate pot fi măsurate printr-o mașină de spălat adecvată cu trei ramuri și ulterior reprelucrate, prin utilizarea unor sisteme de calcul adecvate, pentru a obține măsurarea tensiunilor reziduale prezente în interiorul materialului.

Forarea materialului trebuie efectuată utilizând o tehnologie de forare de mare viteză prin intermediul unei turbine cu aer comprimat (400'000 RPM) sau a unui motor electric (25'000 RPM). ^[12] ^[13]

Metoda găurilor este utilizată în măsurarea tensiunilor reziduale de la primul micron de adâncime până la aproximativ 2,0 mm grosime.

Această metodă are avantajul de a fi aplicabilă materialelor metalice, polimerice ^[14] sau compozite.

Pașii care fac posibilă efectuarea unui test folosind metoda găurilor pot fi, prin urmare, rezumate după cum urmează:

aplicarea unei mașini de spălat de presiune cu trei grile pe suprafața componentei analizate
executarea unei găuri trecătoare sau orb centrate cu șaibă
măsurarea deformărilor produse de relaxarea tensiunilor reziduale
calculul tensiunilor reziduale prin prelucrarea deformațiilor măsurate

Metoda orificiului orb este standardizată la nivel internațional de standardul ASTM E837-13 ^[15] : definește procedura de testare, caracteristicile instrumentației și coeficienții necesari pentru calcularea eforturilor reziduale pornind de la valorile de deformare dobândite.

Metoda inelului

Metoda canelurii inelare (sau a nucleului inelar) constă în realizarea unei caneluri (diametru intern 14mm, exterior 18mm) în jurul unei șaibe speciale de relief cu 3 grile lipite pe suprafața de analizat. ^[16]

Metoda este similară din punct de vedere conceptual cu metoda găurilor și își găsește aplicarea în domeniul siderurgiei pe componente mari forjate și turnate.

Metoda are avantajul de a permite analiza tensiunilor reziduale până la adâncimea maximă de 5,0 mm: cu toate acestea rezultă o precizie mai mică în calculul tensiunilor reziduale prezente în apropierea suprafeței componentei analizate.

Pașii care fac posibilă efectuarea unui test folosind metoda găurilor pot fi, prin urmare, rezumate după cum urmează:

aplicarea unei mașini de spălat de presiune cu trei grile pe suprafața componentei analizate
realizând o fantă în jurul mașinii de spălat manometru
măsurarea deformărilor produse de relaxarea tensiunilor reziduale
calculul tensiunilor reziduale prin prelucrarea deformațiilor măsurate

Metode nedistructive

Metodele nedistructive sunt metodele de măsurare a tensiunilor reziduale care nu cauzează deteriorarea suprafeței suprafeței componentului analizat.

Aceste metode au avantajul de a nu deteriora componenta mecanică examinată, dar cu toate acestea multe dintre ele au limitări în ceea ce privește profunzimea maximă a investigației sau în ceea ce privește materialul care constituie componenta.

Aceste metode se bazează în general pe tehnici difractometrice (raze X, neutroni, sincrotonici) sau magnetice sau ultrasonice ^[4] .

difracție cu raze X

Metoda de difracție cu raze X ^[4] este o metodă nedistructivă pentru măsurarea tensiunilor reziduale pe componentele metalice.

Metoda se bazează pe legea lui Bragg pentru difracție: într-un material metalic afectat de solicitări reziduale, distanța cristalină interplanară variază în funcție de magnitudinea lor (și odată cu aceasta va varia și unghiul de difracție al razelor incidente).

Metoda permite măsurarea unei variații de tensiune: din acest motiv, înainte de a efectua măsurarea pe eșantionul de interes, trebuie efectuată o măsurare a distanței cristaline interplanare pe un eșantion de referință (în general pulberi) în care se presupune că reziduul rezidual tensiunile sunt nule.

Prin urmare, această metodă este strict aplicabilă materialelor pentru care există pulberi de referință și are limitări / probleme în ceea ce privește utilizarea pe materiale anizotrope (de exemplu aliaje Inconel ) sau materiale pentru care pot fi prezente mai multe faze cristaline în același timp (de exemplu titan - prezența simultană a fazelor α și β).

În cele din urmă, metoda trebuie considerată nedistructivă numai în cazul în care este necesar să se obțină o măsurare a tensiunilor reziduale de suprafață: de fapt, în cazul în care este necesar să se măsoare un profil tensiin în grosimea material, este necesar să se repete măsurarea exact în același punct după efectuarea unui tratament de electroeroziune a suprafeței (făcând astfel metoda semi-distructivă).

Metoda are acuratețea sa maximă în măsurarea tensiunilor reziduale de suprafață: tinde să scadă dacă este necesar să se măsoare tensiunile din grosimea componentei analizate.

Notă

^ G. Totten, M. Howes, T. Inoue, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel , ASM International, 2002, ISBN 0-87170-729-2 .
^ SINT Technology Srl, Influența tensiunilor reziduale , pe sintechnology.com .
^ A. Ajovalasit, Resistance electric strain gauges, Aracne editrice Srl, 2006, pp. 157, 181, ISBN 885480486X .
^ ^a ^b ^c GS Schajer, Metode de măsurare a stresului rezidual practic, Wiley, septembrie 2013, pp. 1-27, ISBN 978-1-118-34237-4 .
^ MB Prime, Măsurarea stresului rezidual prin extinderea succesivă a unui slot: Metoda de conformitate a fisurilor , în Applied Mechanics Reviews , n. 52, pp. 75-96.
^ ^a ^b G. Sachs, G. Espay, Măsurarea stresului rezidual în metal , în The Iron Age , septembrie, n. 25, 1941, pp. 63-71.
^ SINT Technology Srl, Măsurați tensiunile reziduale cu metode de măsurare a tensiunii , pe sintechnology.com .
^ SINT Technology Srl, Instrument automat pentru măsurarea tensiunilor reziduale cu metoda orificiului (MTS3000- Restan) , pe mts3000.com .
^ SINT Technology Srl, Aplicația de laborator MTS3000 , pe mts3000.com .
^ SINT Technology Srl, aplicația de teren MTS3000 , pe mts3000.com .
^ E.Valentini, A.Benincasa, L.Bertelli, M.Beghini, L.Bertini, C. Santus, A.Ajovalasit, M.Scafidi, B.Zuccarello, The gaură de foraj-gaură metoda pentru măsurarea uniformă sau non- tensiuni reziduale uniforme , Asociația Italiană de Analiză a Stresului (AIAS), 2010.
^ MT Flaman, Investigation of Ultra-High Speed Drilling for Residual Stress Measures by the Center Hole Method , în Experimental Mechanics , vol. 22, n. 1/1982.
^ MT Flaman, JA Herring, Comparația a patru tehnici de producere a găurilor pentru metoda de măsurare a stresului rezidual în centrul orificiului , în Tehnici experimentale , vol. 9, nr. 8/1985.
^ E. Valentini, A. Benincasa, L. Bertelli, Experimental Residual Stress Analysis by the Hole-Drilling Method on Plastic Materials ( PDF ), în Asociația Italiană pentru Analiza Stresului , XXXVIII Conferința Națională 2009, n. 123. Accesat la 6 mai 2016 (arhivat din original la 3 iunie 2016) .
^ Subcomitetul ASTM E28.13 pentru măsurarea stresului rezidual, Metoda standard de testare pentru determinarea eforturilor reziduale prin metoda Grain-Forage Strain-Gage , ASTM E837-13.
^ E. Valentini, A. Benincasa, L. Bertelli, An Automatic System for Measuring Residual Stress by the Ring-Core Method ( PDF ), în Asociația Italiană pentru Analiza Stresului , XL National Conference 2011, n. 145. Adus la 6 mai 2016 (arhivat din original la 3 iunie 2016) .

Bibliografie

Manual de stres rezidual și deformare a oțelului , Asm International, 2001, ISBN 978-0-87170-729-1 .
GS Schajer, Metode practice de măsurare a stresului rezidual , Wiley, 2013, ISBN 978-1-118-34237-4 .

Elemente conexe

Tensiuni reziduale în sudare

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere cu tensiune reziduală

linkuri externe

AIAS - Asociația italiană pentru analiza stresului - http://www.aiasnet.it/
SINT Technology - http://www.sintechnology.com/
MTS3000-RESTAN - http://www.mts3000.com/

Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie

[1] G. Totten, M. Howes, T. Inoue, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel , ASM International, 2002, ISBN 0-87170-729-2 .

[2] SINT Technology Srl, Influența tensiunilor reziduale , pe sintechnology.com .

[3] A. Ajovalasit, Resistance electric strain gauges, Aracne editrice Srl, 2006, pp. 157, 181, ISBN 885480486X .

[:1-4] GS Schajer, Metode de măsurare a stresului rezidual practic, Wiley, septembrie 2013, pp. 1-27, ISBN 978-1-118-34237-4 .

[5] MB Prime, Măsurarea stresului rezidual prin extinderea succesivă a unui slot: Metoda de conformitate a fisurilor , în Applied Mechanics Reviews , n. 52, pp. 75-96.

[:0-6] G. Sachs, G. Espay, Măsurarea stresului rezidual în metal , în The Iron Age , septembrie, n. 25, 1941, pp. 63-71.

[7] SINT Technology Srl, Măsurați tensiunile reziduale cu metode de măsurare a tensiunii , pe sintechnology.com .

[8] SINT Technology Srl, Instrument automat pentru măsurarea tensiunilor reziduale cu metoda orificiului (MTS3000- Restan) , pe mts3000.com .

[9] SINT Technology Srl, Aplicația de laborator MTS3000 , pe mts3000.com .

[10] SINT Technology Srl, aplicația de teren MTS3000 , pe mts3000.com .

[11] E.Valentini, A.Benincasa, L.Bertelli, M.Beghini, L.Bertini, C. Santus, A.Ajovalasit, M.Scafidi, B.Zuccarello, The gaură de foraj-gaură metoda pentru măsurarea uniformă sau non- tensiuni reziduale uniforme , Asociația Italiană de Analiză a Stresului (AIAS), 2010.

[12] MT Flaman, Investigation of Ultra-High Speed Drilling for Residual Stress Measures by the Center Hole Method , în Experimental Mechanics , vol. 22, n. 1/1982.

[13] MT Flaman, JA Herring, Comparația a patru tehnici de producere a găurilor pentru metoda de măsurare a stresului rezidual în centrul orificiului , în Tehnici experimentale , vol. 9, nr. 8/1985.

[14] E. Valentini, A. Benincasa, L. Bertelli, Experimental Residual Stress Analysis by the Hole-Drilling Method on Plastic Materials ( PDF ), în Asociația Italiană pentru Analiza Stresului , XXXVIII Conferința Națională 2009, n. 123. Accesat la 6 mai 2016 (arhivat din original la 3 iunie 2016) .

[15] Subcomitetul ASTM E28.13 pentru măsurarea stresului rezidual, Metoda standard de testare pentru determinarea eforturilor reziduale prin metoda Grain-Forage Strain-Gage , ASTM E837-13.

[16] E. Valentini, A. Benincasa, L. Bertelli, An Automatic System for Measuring Residual Stress by the Ring-Core Method ( PDF ), în Asociația Italiană pentru Analiza Stresului , XL National Conference 2011, n. 145. Adus la 6 mai 2016 (arhivat din original la 3 iunie 2016) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9] ]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]