DETERMINAREA TENSIUNILOR REMANENTE METALICE, CERAMICE,
COMPOZITE
Definitii
Tensiunile remanente reprezint acele tensiuni care exist ntr-un
corp (pies) atunci cnd acesta nu este supus nici unei fore
exterioare. Ele mai sunt cunoscute i sub denumirea de tensiuni
reziduale, interne sau permanente. Noiunea de tensiune intern nu
este recomandat pentru utilizare, deoarece aceast denumire nu face
deosebirea ntre tensiunile produse de sarcinile exterioare aplicate
i tensiunile existente n lipsa acestora. n definitiv, toate
tensiunile sunt interne. Din acest motiv se va utiliza denumirea de
tensiune remanent. Dup alt criteriu, tensiunile remanente sunt:
tensiuni termice, date de o dilatare sau o contracie neuniform,
ca urmare a diferenelor de temperatur pe seciune sau in volum;
tensiuni structurale, date de modificri de volum specific din
timpul inclzirii i rcirii; tensiuni de lucru, date de aciunea
mecanic a diferitelor procedee de prelucrare mecanic. Tensiunile
remanente sunt asociate cu deformaii elastice corespunztoare pe
direciile,planele i volumele in care ele acioneaz, i se echilibreaz
reciproc. De altfel, msurarea lordirect nu este posibil, evaluarea
lor fcandu-se prin msurarea deformaiilor elastice care le insoesc
sau care se produc dup indeprtarea unei poriuni de material,
respectiv dup dezechilibrarea sistemului iniial.
1
DETERMINAREA TENSIUNILOR REMANENTEMETODE PENTRU DETERMINAREA
TENSIUNILORREMANENTE
Tensiunile remanente sunt fundamental statice i multiaxiale, in
echilibru in absena incrcrilor, frecvent avand aceiai direcie ca i
tensiunile principale produse de ctre sarcini. Evaluarea strii de
tensiuni remanente trebuie s aib ca scop final optimizarea
proceselor tehnologice i alegerea corespunztoare a materialelor,
luand in considerare aspectele tehnice i economice ale modelrii
comportrii unei piese sau ansamblu pe toat durata de fabricare i
exploatare.Modelarea strii de tensiuni remanente este deosebit de
complex, deoarece trebuie sin cont de numeroi factori, cum ar fi:
natura materialului, parametrii proceselortehnologice, modificrile
chimio-structurale, solicitrile mecanice, timpul, temperatura,etc.
In ultimele decenii au fost dezvoltate i perfecionate diverse
tehnici calitative icantitative pentru determinarea tensiunilor
remanente. Funcie de efectul pe care il auasupra pieselor testate,
distingem convenional urmtoarele categorii de metode: distructive;
nedistructive; semidistructive.Metodele distructive presupun
indeprtarea unor cantiti semnificative de material,secionarea total
sau parial a piesei, astfel incat aceasta nu-i mai poate indeplini
rolulfuncional dup testare. Ele se bazeaz pe faptul c in interiorul
unui corp nesolicitat (frincrcri exterioare) tensiunile remanente
sunt intotdeauna in echilibru. Prin secionareasau indeprtarea de
material acest echilibru este perturbat i piesa se
deformeaz.Msurand aceste deformaii se pot determina tensiunile
remanente in piese sau structuri.Principalul dezavantaj al acestei
categorii de metode este acela al distrugerii piesei asupracrora
s-au fcut msurtorile. Un alt dezavantaj il reprezint faptul c
aceste metode suntmai puin precise, dei in ultima vreme a fost
dezvoltat o tehnic foarte precis -"metoda contur" - care constituie
excepia de la regul.
In literatura de specialitate sunt menionate urmtoarele metode
distructive:- metode bazate pe msurarea curburii sau a sgeilor;-
metoda complianei- metoda contur - metoda cu epruveta jug - metoda
cu epruveta lir - metoda Sachsetc.
Metodele nedistructive nu presupun indeprtarea de material,
astfel incatfuncionarea piesei nu este afectat. Evaluarea prin
tehnici nedistructive a tensiunilorremanente din produse finite
elimin principalele dezavantaje ale metodelor distructive.Relaiile
de calcul folosite pentru determinarea strii de tensiuni remanente
sunt celedintre unii parametri ai materialului investigat i acest
tip de tensiuni.In literatura de specialitate, se menioneaz
urmtoarele tehnici nedistructive:- metode bazate pe difracia
radiaiei X, a radiaiei ciclotronice, a undelor ataatefasciculelor
de electroni i neutroni;- metode electromagnetice, dintre care se
menioneaz cea a permeabilitiimagnetice incrementale, a salturilor
Barkhausen, precum i cele bazate pe efectelemagnetostrictive;-
metoda cu ultrasunete, dintre mai utilizat este cea bazat pe
determinarea vitezeide propagare a undelor ultrasonore;- metode
spectrometrice, intre care piezospectrografia Raman, rezonana
nucleargama sau cea bazat pe efectul Mossbauer;- metode optice, cum
ar fi: cele bazate pe fenomenul Moire i fotoelasticimetrie;- alte
tehnici, cum ar fi cele bazate pe termoelasticitate, pe
msurareamicrodeformaiilor de la suprafaa liber a corpului
(distorsiunea reelelor de referina,metoda interferenei microscopice
Tolanski, interferometria holografic), sau cea bazatpe
cromoplasticitate.Metodele semidistructive presupun doar
indeprtarea unor cantiti mici dematerial, in urma acestei operaii
funcionarea piesei nefiind practic afectat. Intre acestemetode se
menioneaz metoda rozetei tensometrice gurite, metoda cu indeprtare
destraturi (de exemplu prin eroziune chimic). Tot in aceast
categorie este inclus imetoda bazat pe msurarea microduritii, care
modific local geometria suprafeei,introducand deformaii elasto -
plastice in zona amprentei.Tensiunile remanente nu pot fi
determinate in mod direct i de aceea ele trebuieevaluate prin
msurarea unor parametri fizici care sunt influenai de prezena
lor.Principalele metode de determinare a tensiunilor remanente sunt
trecute in revist in cele ce urmeaz.
Metode distructive Aceste metode permit evaluarea tensiunilor
remanente atat in timpul proceselortehnologice cat dup finalizarea
acestora, tiut fiind c ele genereaz asemenea tensiuni.
Metoda de msurare a curburii Este o metoda utilizat in special
pentru determinarea tensiunilor remanente dinmateriale stratificate
i acoperite cu pelicule (filme) protectoare. Procesul de realizare
aunui strat presupune introducerea de tensiuni remanente care pot
provoca curbareastratului depus anterior.Modificarea curburii
pieselor, ca urmare a proceselor de depunere, face
posibilaestimarea variaiei tensiunilor remanente funcie de grosimea
stratului depus. Raza de curbura poate fi msurata utilizand metode
directe de contact (traductoareelectrotensometrice rezistive,
profilometre, etc.) sau indirecte (fr contact): metodevideo,
scanere cu laser, metoda Moire, .a. Sensibilitate metodei poate
atinge 0,01 mm-1, ceea ce permite o bun aproximare a strii de
tensiuni remanente. Msurtorile suntrealizate de obicei pe benzi
(faii) subiri, cu raportul lime/lungime < 0,2, pentru apreveni
curbarea multiaxilal i instabilitatea mecanic. Ecuaia diferenial a
lui Stoney[20] permite calculul tensiunii x s din grinzi subiri
lungime l, grosime curent h i cumodulul de elasticitate E, cu
sgeata g dhdglE h x = - 223s 4 (2.1.1)Relaia lui Stoney este adesea
utilizat i pentru determinarea sgeii.Msurarea razei de curbura se
poate face i la sfaritul operaiei tehnologice. Inacest caz, pentru
determinarea tensiunilor remanente, se indeprteaz pe rand
toatestraturile depuse, metoda fiind de aceast dat una distructiv.
Atunci cand indeprtareade straturi nu este realizabil, se poate
evalua starea plan de tensiuni remanenteconsiderand o lege de
variaie a tensiunilor pe grosime.
Metode tensometrice
Metoda rozetei tensometrice gurite este singura metod pentru
determinareatensiunilor remanente care este standardizat (ASTM E
837-99). La aceast metod,practicarea gurii prin centrul rozetei
tensometrice conduce la relaxarea tensiunilor inzona invecinat,
ceea ce conduce la modificarea strii de deformaie la suprafaa
piesei.Aceste deformaii sunt msurate cu ajutorul rozetei
tensometrice i apoi se determin princalcul tensiunile remanente
principale i direciile acestora (figura 2.1.2). Starea detensiuni
remanente din zona invecinat gurii se mai poate determina folosind
metode ca:Moire, interferometrie laser (in acest caz se obine o
hologram), fotoelasticimetrie, etc.
Metoda complianei
Metoda presupune tierea unei buci mici de material sau
practicarea unor canalede dimensiuni mici ( rizuri, crestri ) pe
suprafaa studiat, in vederea msurriideformaiilor i apoi a
tensiunilor remanente. Relaxarea tensiunilor in vecintatea
acestorneuniformiti geometrice produse voluntar este pus in eviden
cu ajutorul unuiinterferometru care cuprinde i mrci tensometrice. O
variant a metodei a fost utilizatpentru determinarea tensiunilor
remanente din biomecanic .Pentru ca tensiunile remanente s se
echilibreze odat cu creterea adancimiicanalelor (rizurilor) se
presupune un camp de tensiuni remanente principale normale
irespectiv paralele cu direcia crestturilor, iar aceast direcie nu
este funcie de adancime(ipotez valabil atunci cand distribuia
tensiunilor pe suprafaa este relativ uniform).Metoda mai are i alte
variante: practicarea unor degajri la suprafaa piesei
sauindeprtarea straturilor de material se realizeaz cu ajutorul
unor procese chimice(eroziune sau electroeroziune chimic). Una din
variantele de mai sus a fost utilizatpentru evaluarea strii de
tensiuni remanente in tuburi i conducte pneumatice.
Metode bazate pe difracie Difracia razelor XRadiaiile Roentgen
sau razele X sunt de natur electromagnetic ca i lumina, darau
lungimi de und mult mai mici, comparabile ca ordin de mrime cu cele
ale constanteireelei cristaline a materialului investigat.Fenomenul
de difracie a razelor X permite determinarea tensiunilor remanente
deordin I prin folosirea parametrului reelei cristaline din
epruvete detensionate ca fazetalon i msurarea deplasrii picului
(maximului) de difracie la proba examinat, prinraportare la o prob
etalon, considerat fr tensiuni remanente.Microtensiunile de ordin
II i III se determin pe baza limii liniei (picului) dedifracie,
aceste tensiuni producand atat o comprimare cat i o intindere a
reelei cristaline(cele de ordin II) i o aa zis deformare dinamic a
reelei, reprezentand abaterea medieptratic a atomilor de la
poziiile lor ideale in reea, direcie normal pe planul dereflexie
(microtensiuni de ordinul III). Din compunerea efectelor prezentate
rezult olrgire a picului de difracie.Tehnica difraciei cu raze X se
poate folosi pentru determinarea tensiunilorremanente atat in
straturile materialului examinat (pan la adancimi comparabile
cucateva straturi atomice), cat i in straturile de acoperire
(pelicule protectoare). Pentruevaluarea strii de tensiunilor
remanente in profunzimea materialului se pot indeprtasuccesiv
straturi de material de la suprafaa probei, prin diverse procedee
(chimice,electrochimice, etc.). Tehnica poate deveni astfel una
semidistructiv sau chiardistructiv, pierzand unul dintre
principalele avantaje[12].Difracia razelor X este in prezent una
dintre cele mai utilizate tehnici deinvestigare, datorit in special
faptului c permite evaluarea nedistructiv i independenta
macrotensiunilor i microtensiunilor remanente. Variante speciale
ale metodei permit determinarea tensiunilor remanente utilizanddou
msurtori, fr a recurge la etalonare (metoda dublei expuneri sau
"sin2") .Dei in momentul de fa este destul de puin utilizat in
afara laboratoarelor, punerea la punct a unor aparate portabile
care s permit determinri cu precizie adecvat in mediul industrial
va permite extinderea substanial a acestei metode.
Pe lang avantajele ei, difracia cu raze X prezint i o serie de
dezavantajenotabile:- poate fi utilizat numai la materiale care au
o structur cristalin;- din cauza adancimii mici de penetrare,
utilizarea ei se limiteaz doar la evaluareastrii de tensiuni din
stratul superficial in cazul materialelor metalice;- la materiale
multifazice sau cu structur eterogen se pot obine informaii
numaipentru anumite faze sau cristalite;
Metode magnetice
Forma curbelor de magnetizare ale unui material feromagnetic
este influenat deun numr mare de factori, printre care un loc
aparte il ocup tensiunile remanente. Dac valoarea acestora este
notabil, ele pot determina singure form concludent deanizotropie
magnetic a corpului. Pe de alt parte, intre existena tensiunilor
remanente i cele dou mecanisme fundamentale care contribuie la
realizarea procesului demagnetizare, i anume deplasarea pereilor
interdomeniali i schimbarea orientriimagnetizrii spontane a
domeniilor (sau rotirea magnetizaiei), exist o strans legtur.
Aceast dependen poate fi pus in eviden prin metoda care are la baz
efectulBarkhausen (prin analiza micilor salturi ale pereilor la
1800, metoda permeabilitii magnetice incrementale (prin
determinarea permeabilitii magnetice acorpului cu tensiuni
remanente) i metode bazate pe magnetostriciune (efectul
magnetomecanic). In ultimul caz, tensiunile remanente determin fie
deplasarea pereilor la 900,fie rotirea magnetizaiei.Dei
interdependena dintre tensiunile remanente i parametri magnetici ai
probei investigate este puternic, exist totui o serie de variabile
care in de natura materialului, cum ar fi duritatea, tipul i
dimensiunea grunilor de material, care pot afecta acurateea i
precizia determinrilor. Din acest motiv, metodele enumerate mai sus
sunt adesea complementare, eliminandu-se astfel variabilele
enumerate. Totodat, pentru creterea preciziei determinrilor se
impun calibrri la anumite valori cunoscute ale tensiunilor
remanente. Apoi, pe baza unor relaii teoretice specifice,
parametrii magnetici sunt succesiv interpolai i extrapolai pentru o
etalonare corespunztoare.Avantajele principale ale metodelor
magnetice sunt:- determinrile se pot face in mod normal in cateva
secunde;- echipamentul necesar este portabil i procesarea
informaiilor se poate face insistem automatizat;- poate fi
determinat starea plan de tensiuni remanente pan la adancimi de 6
10mm;- costul tehnicilor magnetice este relativ mic.
Principalele dezavantaje sunt:- tehnicile magnetice pot fi
utilizate doar la investigarea materialelorferomagnetice;- exist o
mulime de alte surse de eroare, altele decat cele amintite, care
scadprecizia determinrilor (geometria corpului, direcia de
magnetizare, etc.).
Metode acustice
Metode de determinare a tensiunilor remanente cu ajutorul
ultrasunetelor au la bazvariaia vitezei de oscilaie atat a undelor
ultrasonore longitudinale cat i transversale,atunci cand acestea
strbat un material in care exist tensiuni remanente.Cea mai mare
sensibilitate a determinrilor se obine cand undele se propag
indirecia tensiunilor principale. Deoarece modificarea vitezelor de
propagare a undei sonore este mic i depinde detextura, alinierea i
orientarea grunilor materialului explorat, este adesea mult
maiconvenabil s se determine intarzierea intre impulsul de emisie i
cel recepionat, atattimp cat lungimea drumului fcut in traversarea
piesei nu este cunoscut cu suficientprecizie. Evaluarea tensiunilor
remanente cu ajutorul ultrasunetelor presupune o calibrare
aechipamentului de control pentru eliminarea unor surse de eroare
ca: modul de prelucrare al probei de controlat, temperatura
acesteia, compoziia ei chimic, starea suprafeei, etc. Metoda cu
ultrasunete permite determinarea tensiunilor remanente in
intregvolumul de material. Tehnicile ultrasonore sunt relativ
ieftine i preferate pentru inspecia on line i inspeciile de rutin,
in cadrul controlului de calitate. Viteza de propagare a
ultrasunetelor intr-un material cu tensiuni remanente depinde ins i
de neomogenitile microstructurale. Aceast dependen genereaz
dificulti de separare a componentelor in starea spaial de
tensiunilor remanente, ceea ce constituie dezavantajul principal al
metodei. O alt limitare a metodei este rezoluia spaial slab.
Metode spectrometrice (Spectrografia Raman)
Efectul Raman reprezint capacitatea substanei de a difuza lumina
cu o sensibilmodificare a lungimii de und incidente. Analiza
spectrului luminos obinut, cunoscut caspectrul luminozitii
remanente sau spectrul Raman, ofer informaii asupra unorparametri
fizici i chimici ai structurii.In ceea ce privete tensiunile
remanente, privite ca variaii de presiuni hidrostatice,liniile
spectrale sunt deviate odat ce sistemul de inregistrare sesizeaz
existena lor. Prin utilizarea microscopului se pot selecta regiuni
de doar caiva micrometri, care prezint interes in ceea ce privete
tensiunile remanente.Materialele la care aceste metode se utilizeaz
sunt materialele ceramice (deexemplu oxidul de aluminiu, oxidul de
zirconiu), compozitele care conin ioni de crom(Cr+) i fibre de
aluminiu (cunoscute pentru proprietile lor de a deveni fluorescente
lasolicitri), carburile, siliconul, etc.).
Metode optice (Fotoelasticimetria)
Metoda are la baz fotoelasticitatea (birefringena accidental a
materialelortransparente supuse la tensiuni mecanice). Studiul
experimental se face transmiand unfascicul de lumin polarizat, alb
sau monocromatic, asupra unui model din materialtransparent al
piesei studiate (fotoelasticimetrie prin transparen). In lipsa
incrcrilor,franjele obinute dau informaii asupra strii de tensiuni
remanente, dup prelucrarea lorprin metode grafico-analitice. Pentru
determinarea tensiunilor remanente se utilizeaz atat
fotoelasticimetria prin transparen (la materiale transparente, cum
ar fi sticla) cat i cea prin reflexie, la materiale netransparente
[10, 20]. In acest ultim caz, la metoda guririi se inlocuiete
rozeta tensometric o pastil din lac fotoelastic, lipit pe piesa in
care se dorete determinarea tensiunilor remanente. Gurirea se face
prin pastila de lacfotoelastic.Franjele care apar dup gurire sunt
prelucrate pentru a determina tensiunileremanente principale i
direciile acestora. Metoda nu este standardizat i esteconsiderat
mai puin precis decat cea care utilizeaz rozeta tensometric. O surs
deeroare o reprezint faptul c marginile gurii prelucrate prin
achiere in stratul fotoelastic sunt neregulate (zdrenuite). De
asemenea, cldura degajat in procesul de achiere poate introduce
tensiuni remanente suplimentare in lacul fotoelastic, care iniial
ar trebui s fie lipsit de asemenea tensiuni.
In prezent exist multe metode care pot fi utilizate pentru
determinarea tensiunilorremanente dintr-o gam larg de materiale.
Inainte de-a alege una dintre ele esteimportant s se ia in
consideraie particularitile fiecreia, tipul de tensiuni ce urmeaz a
fi msurate (tip I, II , III), natura materialului, etc. In multe
cazuri, pentru determinareastrii de tensiuni remanente cu o
precizie prestabilit, o singur metod din celeprezentate nu este
suficient. De aceea tehnicile prezentate sunt complementare i
nuconcurente.
CONSIDERATII PRIVIND ALEGEREA METODEI
Prezentarea principalelor tehnici de determinare a tensiunilor
remanente dinparagrafele precedente nu poate fi exhaustiv, din
motive care in de caracterul lucrrii de fa. Pe de alt parte,
diversitatea variantelor fiecrei metode in parte impune anumite
consideraii care in de alegerea judicioas a echipamentelor de
determinare a acestui tip de tensiuni, in funcie de mai muli
factori.Deoarece in multe cazuri utilizarea unei singure metode de
determinare atensiunilor remanente nu furnizeaz informaii complete
sau satisfctoare asupraconfiguraiei sau mrimii acestor tensiuni,
multe dintre tehnicile prezentate sunt utilizatein diverse
combinaii selectate pe baza unor criterii de optimizare a
procesului demsurare.De aceea, anumite consideraii critice asupra
modului de selecie atehnicii de msurare optime se impune cu
necesitate. In general metoda este aleas infuncie de rolul
funcional al piesei sau ansamblului testat i in corelaie cu aceasta
seadopt tehnici de msurare cu caracter distructiv, semidistructiv
sau nedistructiv.Principalele criterii de selectare a metodei sunt
urmtoarele:1. Natura materialului, structura lui (amorf, cristalin,
semi-cristalin), textur,compoziie chimic, numr de faze;2. Tipul de
tensiuni remanente ce urmeaz a fi determinate:- Ordinul I;- Ordinul
II;- Ordinul III.3. Distribuia gradienilor tensiunilor remanente:-
Pe grosime;- Pe suprafa.4. Geometria piesei sau a subansamblului
analizat, in corelaie cu tipul tehniciideja selectate:-
Dimensiunile i forma seciunii piesei;- Dimensiunile i forma
suprafeei piesei.5. Gradul de mobilitate a echipamentelor din lanul
de msurare:- Echipament de laborator;- Echipament portabil.6. Tipul
metodei:- Distructiv;- Semidistructiv;- Nedistructiv.7. Durata
determinrii, timpul necesar stabilirii mrimii i/sau
distribuieitensiunilor remanente;8. Gradul de incredere (precizia
metodei);9. Criterii economice: costul operaiei de msurare.O
selectare adecvat trebuie s in cont de toate criteriile enumerate
mai sus.Bineineles, aa cum s-a amintit deja, in toate situaiile in
care se impune alegereametodei sau metodelor de msurare se va ine
seama in principal de rolul funcional alpiesei sau ansamblului
analizat. Determinarea cu precizie a tensiunilor remanente
reprezint o condiie necesar pentru asigurarea calitii i fiabilitii
organelor de maini, utilajelor, instalaiilor i structurilor.
CAUZELE FORMARII TENSIUNILOR REMANENTE IEFECTELE LOR
Intr-o accepiune general, tensiunile remanente sunt cunoscute ca
fiind tensiunileexistente intr-un corp solid, aflat la o temperatur
uniform, in absena oricror solicitriexterioare (fore, cupluri sau
acceleraii). Acestea determin formarea unui sistem defore in
echilibru, atat local cat i global, fiind in general dificil de
evaluat; rezult de aicicaracterul ascuns, ineltor, al
acestora.Tensiunile remanente sunt prezente in majoritatea
materialelor i pieselor, dupelaborare, prelucrare i tratament. Ele
traduc istoria metalurgic i mecanic a fiecruipunct i a ansamblului
unei piese in cursul fabricrii sale. Complexe prin natura
lor,tensiunile remanente au fcut obiectul a numeroase studii pentru
a le defini cat mai bine,a le analiza, msura, prevedea printr-o
modelare i o simulare numeric, a determina i prevedea efectele lor
asupra comportrii materialelor i a pieselor, a optimiza in mod
corespunztor procesele tehnologice etc.Tensiunile remanente pot fi
clasificate in funcie de:a) cauzele care le genereaz;b) volumul de
material in care se autoechilibreaz;c) orientarea lor spaial.Pentru
a prevedea prin calcule starea de tensiuni remanente existent in
diversecomponente i structuri mecanice, trebuie s se identifice mai
intai sursele acestora.
Originile tensiunilor remanente, in general foarte diverse, pot
fi grupate in trei maricategorii: mecanic, termic i metalurgic.
Intr-un punct al unei piese supus la o solicitare mecanic sau
termic vor luanatere tensiuni remanente dac dup suprimarea
solicitrii, elementul de volum din jurul punctului nu poate s revin
la starea de repaus, altfel spus, dac deformaiilesusceptibile de a
conduce la aceast stare toate punctele piesei, nu sunt
compatibileintre ele. Intr-o manier mai precis, solidul este supus
unui camp de deformaii permanentecare nu verific ecuaiile de
compatibilitate ale mecanicii solidelor. In acest caz,
corpultrebuie s fie in mod necesar sediul unor deformaii adiionale,
astfel ca deformaiarezultant s fie compatibil. Starea de tensiuni
asociat acestor deformaii complementare este o stare de tensiune
autoechilibrat, ce constituie tocmai campul tensiunilor
remanente.Exist aadar trei cauze principale care conduc la apariia
tensiunilor remanente:
- deformaiile plastice neuniforme care apar in cazul
supraincrcrii organelor demaini i structurilor, in urma
prelucrrilor mecanice ori prin presare la rece, tratamentemecanice
.a. (indreptare, matriare, autofretare, alicare, rulare) sau
existena uneiincompatibiliti mecanice intre diferitele componente
ale materialelor compozite, intrestrat i substrat in cazul
depunerilor, intre componentele ceramice sau compozite ialiajele
metalice asamblate prin termocompresiune sau prin brazare etc.;-
existena unui gradient termic ce determin depirea limitei de
elasticitate caurmare a modificrilor de volum sau lungime (este
cazul tensiunilor remanente care apar la sudarea pieselor, la
operaiile de forjare i laminare, a tensiunilor remanente din
piesele bimetalice supuse variaiilor de temperatur, a celor
rezultate in urma prelucrrilor mecanice cu regimuri intense de
achiere etc.), sau a unei incompatibiliti termice (coeficieni de
dilatare termic diferii) intre diferitele volume ale materialului
piesei;- modificrile locale de volum i densitate produse de
transformrile alotropice(schimbrile de faz metalurgic) i
modificrile locale de structur ce apar de exempluin urma sudrii, a
unor tratamente termice i termochimice, a depunerilor electrolitice
destraturi metalice .a.
Categorii de tensiuni remanente:
In funcie de dimensiunile volumelor in care se manifest i este
considerataceast neomogenitate a deformaiilor, se definesc in mod
clasic trei categorii de tensiuni remanente:
a) tensiuni remanente de ordinul I sau macroscopice (sI), care
provoac deformaii icare se exercit la scara piesei sau intr-un
element de volum important (de ordinulmilimetrilor); ele rezult din
echilibrul forelor interne i corespund unei valori medii dintot
materialul;b) tensiuni remanente de ordinul II sau microscopice
(sII), care acioneaz la scaragruntelui (de ordinul micrometrilor);
ele traduc o variaie a tensiunilor in fiecare gruntein jurul
valorii medii, reprezentat de tensiunea sI;c) tensiuni remanente de
ordinul III sau ultramicroscopice (sIII), care intervin lanivelul
atomilor i al reelei cristaline (la o scar de ordinul a caiva zeci
de nanometri);acestea fluctueaz in jurul valorii medii a
tensiunilor dintr-un grunte (sII).Aceast clasificare este adesea
simplificat, din cauza dificultilor de separare atensiunilor
remanente sII i sIII, i in consecin se vorbete in mod curent
demacrotensiuni (tensiunile sI) i microtensiuni (tensiunile sII
+sIII); tensiunile sII pot fidenumite de asemenea tensiuni omogene
iar tensiunile sIII tensiuni neomogene.
Cele trei tipuri de tensiuni interacioneaz unele cu altele i
modific comportareamaterialului. Starea de tensiuni remanente este
dat de suprapunerea tensiunilor deordinul I, II i III
Dup orientarea lor spaial, tensiunile remanente pot:a)
monoaxiale, cand se manifest dup o singur direcie;b) biaxiale sau
plane, cand acioneaz dup diferite direcii cuprinse in acelai
plan;c) triaxiale sau spaiale, cand acioneaz dup toate
direciile.
Efecte poteniale ale tensiunilor remanente
In cazul obinerii in straturile superficiale a unor tensiuni
remanente de intindere seconstat o deteriorare a proprietilor de
rezisten la oboseal care conduc la ruperipremature ale pieselor se
prezint distribuiile tensiunilor remanente obinute pentru cateva
procedee de prelucrare sau tratament i efectele lor asupra
rezistenei la oboseal.
Efectul tensiunilor remanente asupra rezistenei la traciune se
manifest mai ales in cazul pieselor i elementelor de structur
realizate din materiale compozite sau in situaia in care grosimea
stratului pretensionat este foarte mare in raport cu grosimea
piesei.
Efectul direct al tensiunilor remanente asupra proprietilor de
frecare i de uzare, estepan in prezent mai puin studiat, avand in
vedere i faptul c este destul de dificil s sesepare influena
tensiunilor remanente de a celorlali factori implicai in procesele
defrecare i de uzare dintr-un tribosistem. Practic pentru toate
mecanismele de uzare(uzarea de adeziune, uzarea abraziv, uzarea
prin oboseal mecanic i/sau termic astraturilor superficiale aflate
in contact, uzarea de coroziune), s-a constatat o ameliorare a
rezistenei la uzare atunci cand in straturile superficiale ale
pieselor se realizeaz ocretere a duritii insoit de o stare de
tensiuni remanente de compresiune.In cazul pieselor ce lucreaz la
temperaturi ridicate i/sau in condiii cu frecriimportante, se
utilizeaz tot mai des depunerile de straturi
metalice,ceramice,compozitespeciale .a., de mare rezisten la uzare
i la temperaturi inalte. In urma acestoroperaii, ce implic
utilizarea unor tehnici foarte avansate la presiune atmosferic sau
invid, se genereaz tensiuni remanente importante atat in depunere
cat i in substrat ce pot afecta negativ aderena depunerilor,
impunandu-se din aceastcauz aplicarea unor tratamente termice.
Stabilitatea tensiunilor remanenteStabilizarea tensiunilor
remanente prin vibraii mecanice
Pe baza cercetrilor intreprinse pn n prezent privind domeniul
reducerii tensiunilorremanente prin vibraii rezult urmtoarele
concluzii:- Procesul vibrrii pieselor metalice conduce la reducerea
ntr-o anumitmsur a valorilor maxime ale tensiunilor remanente,
determinnduniformizarea repartiiei acestor tensiuni n masa piesei.
Tensiunileremanente nu sunt complet reduse, procesul vibratoriu
aducnd acestetensiuni la starea de echilibru.- Spre deosebire de
reducerea tensiunilor maxime prin vibrare,detensionarea (n
accepiunea clasic a acestui concept) reduce n maremsur tensiunile
remanente n ntreaga mas metalic. Prin detensionaretensiunile
remanente ajung la valori inferioare unei limite admise, astfelnct
ele s nu aduc prejudicii integritii materialului n timpulfuncionrii
piesei.- Energia furnizat din exterior, introdus n pies prin
vibrare, nu permitecoborrea accentuat a nivelului tensiunilor
remanente n ntregul volummetalic vibrat, ceea ce se ntmpl n cazul
detensionrii pe cale termic.- Domeniul aplicativ al tehnologiei
neconvenionale de reducere a tensiunilorremanente prin vibraii se
impune a fi limitat la stabilizarea dimensional igeometric a piesei
metalice.Pe baza celor afirmate mai sus, se recomand renunarea la
termenul dedetensionare prin vibraii i nlocuirea lui cu termenul de
stabilizare dimensionalprin vibraii, sau stabilizarea tensiunilor
remanente. Acest termen red ntocmaidomeniul aplicativ al acestei
tenologii neconvenionale.Stabilizarea tensiunilor remanente i
mbuntirea stabilitii dimensionale apieselor sau subansabblelor prin
vibraii cunoate o tot mai larg rspndire, ngeneral datorit
avantajelor pe care le are fa de celelalte procedee, i n specialfa
de cele termice. Dintre avantajele acestui procedeu se amintesc
urmtoarele:- consum redus de energie- utilaje relativ simple,
accesibile- este un procedeu nedistructiv- proprietile
fizico-chimice ale materialului rmn nemodificate- aplicabilitate
pentru o mare varietate de piese.Ca dezavantaje se amintesc:-
imposibilitatea eliminrii complete a tensiunilor remanente, se
poate obinenumai o stabilizare, o micorare a acestora- piesele
supuse stabilizrii tensiunilor remanente prin vibraii trebuie
supusen prealabil unui control defectoscopic pentru a evidenia
eventualele fisurin materialul piesei, deoarece prezena acestora n
timpul procesului devibrare poate deveni periculoas, vibraiile
conducnd la propagareafisurilor n masa materialului piesei i n
final la ruperea acesteea.
CONCLUZII
Chiar dac tesiunile remanente metalice, ceramic si composite
sunt luate in consideraie anumite condiii particulare de mediu este
important s se ineleag c tensiunile remanente pot modifica
semnificativ in timp comportarea materialului ca rezultat al
curgerii vascoelastice din timpul ciclului termic. Spre exemplu
neglijarea potenialului de cretere a tensiunilor remanente
existente in pelicula adeziv poate conduce la o supraevaluare a
durabilitii imbinrii cu posibilitatea apariiei unor rupturi
neateptate in timpul expoatrii (imbinrile cu grosimi mari ale
stratului de adeziv sunt cele mai vulnerabile din acest punct de
vedere). S-au prezentat o serie de instrumente care pot fi
utilizate pentru predicia efectului ciclului termic asupra
tensiunilor remanente dintr-o imbimare adeziv i asupra durabilitii
acesteia cat si metode de determinare a tensiunilor remanente, a
efectelor si cauzelor lor Ar fi bine ca aceste instrumente
combinate cu o mai exact inelegere a rolului vascoelasticiii in
comportarea mecanic a materialelor metalice, ceramic si compozite s
conduc la realizarea, pe viitor, de imbinri rezistente, fiabile i
economice.
Bibliografie:
1. Amariei N., Contribuii la studiul i determinarea tensiunilor
remanente, Tez dedoctorat, Universitatea Tehnic Gh. Asachi Iai,
19972. Amariei N., Tensiuni remanente generate in procesul de
nitrurare, Ed. Gh. Asachi,Iai, 20013. Amariei N., Tensile behaviour
of some plasma nitrided flat specimens made from38MoCrAl09 steel,
Buletinul I.P. Iai, Tomul XLV (IL), Fasc.1-2, Secia tiina
iingineria materialelor, 1999, p. 43-484. Amariei N., Comandar C.,
Influena tensiunilor remanente obinute in urma nitrurriiasupra
rezistenei la oboseal, Buletinul tiinific al Universitii Tehnice a
Moldovei,Secia Mecanic, vol.I, 2000, p.49-545. Amariei N., Leon D.,
Comandar C., A Mathematical Model for the Study of ResidualStresses
Using the Displacements Measured During Plasma Nitriding, Proc. of
the 35 thInternational Conference on Experimental Stress Analysis,
EAN97, Ed. By HrabovskyM., Olomouc, Czech Republic, 4-6 June 1997,
p.9-146. Amariei N. (director de proiect), Monitorizarea
fenomenului de generare a tensiunilorremanente din straturile
superficiale in timpul nitrurrii ionice, Grant CNCSIS nr.208(tema
nr. 33)/2001 i nr. 415 (tema nr.34)/20027. Amariei N. (director de
proiect), Studii i cercetri privind apariia i evoluiatensiunilor
din stratul superficial in timpul unor procese de tratament termic
superficial,Grant nr. 5002C/7463-93 (poz.C 2.6) i nr. 587B-94,
Ministerul Invmantului, DireciaCercetare i Doctorat8. Amariei N.
(director de proiect), Cercetri privind msurarea tensiunilor
remanente indepuneri electrolitice, Contract de cercetare nr.
9646-1994 i 5905-1995, beneficiar S.C.ICPE S.A. Bucureti9. Anton
R.J., Miskioglu I., Subhash G., Determination of Residual Stress
Fields Beneath aVickers Indentation Using Photoelasticity,
Experimental Mechanics, vol. 39, 3, 1999, p.227-23010. Abdallahoui
Y., Walaszek H., Peyrac C., Lieurade H.P., Evaluation des
contraintesresiduelles de soudage par methode ultrasonore et
validation par la methode du trou parpercage incremental et
diffraction des rayons X. Influence de la microstructure, LaRevue
de Metallurgie-CIT/Sc. et Genie des Materiaux, Sept., 1999, p.
1143-115411. Barallier L., Barralis J., Castex L., Caracteristique
mecaniques des couches nitrurees.Cas des pieces en acier,
Traitement Thermique, 276, 1994, p. 49-5312. Barrallier L., Barreau
G., Barralis J., Influence de lorigine des contraintes
residuellessue leur relaxation thermique dans le cas daciers
allies, La Revue de Metallurgie-CIT/Science et Genie des Materiaux,
5, 1993, p. 637-64913. Barsnescu P.D., Contribuii la optimizarea
performanelor de precizie aletraductoarelor electrotensometrice
rezisteive, cu aplicaii la msurarea tensiunilorremanente, Tez de
doctorat, I. P. Iai, 199314. Beranger G., La notion de surface,
Traitement Thermique, 308, 1998, p. 35-4615. Bercea M., Cercetri cu
privire la posibilitile de reducere prin vibraii a
tensiunilorremanente din elemente metalice imbinate prin sudur, Tez
de doctorat, Univ. TehnicGh. Asachi Iai, 1994
1
