Tensiuni remanențe - metode și instalație pentru reducerea acestora

1. Tensiuni remanente. Fenomen şi cauzalitate. Clasificare

În atenţia prelucrătorilor mecanici stă îmbunătăţirea continuă a caracteristicilor mecanice ale produselor metalice, deoarece de acestea sunt legate în mod nemijlocit gabaritul, masa specifică şi fiabilitatea produsului. Caracteristicile mecanice au două componente fundamentale: rezistenţa funcţională şi stabilitatea dimensională în timp, cele două componente intercondiţionându-se reciproc.

Rezistenţa funcţională este asigurată de respectarea de către materialul piesei a unor restricţii impuse de legea lui Hooke; stabilitatea dimensională fiind asigurată de rezistenţa la uzură şi starea tensiunilor reziduale instabile. Aceste tensiuni reziduale instabile duc la fisurări şi la modificări dimensionale ale pieselor. Problema care se pune este de a înlătura tensiunile interne instabile într-o măsură cât mai mare, fără a afecta starea tensională reziduală stabilă.

Tensiunile remanente reprezintă acele tensiuni care există într-un corp (piesă) atunci când acesta nu este supus nici unei forţe exterioare. Ele mai sunt cunoscute şi sub denumirea de tensiuni reziduale, interne sau permanente. Noţiunea de tensiune internă nu este recomandată pentru utilizare, deoarece această denumire nu face deosebirea între tensiunile produse de sarcinile exterioare aplicate şi tensiunile existente în lipsa acestora. În definitiv, toate tensiunile sunt interne. Din acest motiv se va utiliza denumirea de tensiune remanentă.

Se studiază ca exemplu o tablă din oţel laminată în condiţii în care curgerea plastică să apară numai la suprafaţa acesteia (figura 1, a). La suprafata tablei, fibrele deformate la rece tind să se lungească, în timp ce în zona centrală a tablei fibrele rămân nemodificate. Fibrele de la centrul tablei şi cele de la suprafaţă se vor influenţa reciproc: cele centrale tind să împiedice alungirea fibrelor de la suprafaţă în timp ce acestea caută să întindă fibrele centrale.

Rezultatul acestor influenţe reciproce dă naştere la tensiuni remanente de compresiune ridicate pe suprafaţa tablei şi tensiuni remanente de întindere în centrul tablei (figura 1, b).

Sistemul de forţe produs de către tensiunile remanente trebuie să fie în echilibru static, adică forţa totală care acţionează, asupra unui plan oarecare din corp şi momentul total trebuie să fie nule. Aceasta înseamnă că suprafaţa de sub porţiunea curbă ce reprezintă variaţia tensiunilor de compresiune, trebuie să fie egală cu suprafaţa de deasupra porţiunii curbei ce reprezintă variaţia tensiunilor remanente de întindere.

Situaţia este mai complicată întrucat, în realitate, starea de tensiuni remanente dintr-un punct oarecare este o stare spaţială. Uneori datorită simetriei, se ia în consideraţie numai tensiunile remanente ce acţionează pe o singură direcţie. Un exemplu clasic de modificare a volumului datorită tensiunilor interne îl constituie răcirea unui lingou, de dimensiuni mari, dintr-un metal care nu prezintă modificări de fază. Diferenţele de temperatură care există între suprafaţa şi centrul lingoului sunt suficiente pentru a da naştere unor tensiuni remanente. Întrucat colţurile se răcesc mai repede decât centrul contracţia termică apărută produce un dezechilibru al deformaţiilor între ele şi centrul lingoului. Acest dezechilibru conduce la apariţia unor tensiuni longitudinale (figura 2, b). Zona centrală nu poate suporta tensiunile de compresiune impuse şi se contractă pentru a reduce o parte din aceste tensiuni (figura 2, c).

La răcirea completă a lingoului, contracţia totală va fi mai mare în mijloc decât în zona marginilor, deoarece în această zonă contracţia se datorează atat răcirii cât şi deformaţiei plastice (figura 2, d). În zona muchiilor avem tensiuni remanente de compresiune în timp ce în zona centrală tensiunile sunt de întindere. Tensiunile remanente trebuie considerate numai ca tensiuni elastice. Valoarea maximă pe care o poate atinge tensiunea remanentă este egală cu limita de elasticitate a materialului. O tensiune care ar depăşi limita de elasticitate fără a exista forţe exterioare care să i se opună, ar fi preluată de deformaţia plastică a materialului, până va atinge valoarea limitei de curgere.

În principiu tensiunile interne se clasifică în:

- macrotensiuni interne ;

- microtensiuni interne ;

- tensiuni de reacţie.

Macrotensiunile interne variază continuu în tot volumul corpului şi acţionează asupra unor zone de dimensiuni mari în raport cu dimensiunile atomice.

Microtensiunile interne acţionează asupra unor zone cu ordinul de mărime a catorva celule, deşi efectul lor se poate extinde chiar pe mai mult de un grăunte. Ele variază mult de la un grăunte la altul, datorită anizotropiei cristalelor. Un exemplu de microtensiuni interne îl constituie precipitarea particulelor de fază secundară dintr-o soluţie solidă. Dacă particulele de fază secundară au o densitate mai mică decât masa de bază, atunci fiecare particulă căutând să ocupe un volum mai mare, este comprimată de masa de bază. Fenomenul conduce la dezvoltarea unor tensiuni de întindere în masa de bază, pe direcţia radială şi circumferenţială faţă de particulele de fază secundară.

Determinarea experimentală a microtensiunilor interne în sistem cu două faze este foarte greu de realizat, deşi valorile lor medii au fost determinate cu raze X.

Tensiunile remanente de reacţie apar în piesele asamblate, în special în construcţii sudate. Datorită interacţiunii între piesele ce compun un ansamblu, diferite părţi ale acestuia pot fi tensionate deşi construcţia nu este supusă unei sarcini exterioare. Atât sudura electrică prin puncte cât şi sudarea cap la cap produc tensiuni mari de întindere în centrul suprafeţei de aplicare a căldurii.

Prelucrarea cu alice, ciocănirea suprafeţei şi roluirea suprafeţei produc stări plane de tensiuni remanente de compresiune în zona suprafeţei, care sunt echilibrate de către stările plane de tensiune de întindere ce apar în interior. Acoperirile dure (cromare, nichelare) pot produce tensiuni remanente fie de întindere fie de compresiune, în funcţie de condiţiile de desfăşurare al procesului de acoperire.