Entendendo os vários tipos de estresse residual

Em materiais sólidos, a tensão residual é a tensão que permanece neles depois que sua causa original de tensão é removida. A tensão residual pode ser inútil e útil em um material. isto é, pode ser desejável ou indesejável. O estresse residual não intencional em um material pode fazer com que ele falhe prematuramente, enquanto ele pode ser usado em vidro temperado para permitir óculos grandes, finos, resistentes a rachaduras e arranhões em óculos de smartphone.



Hoje veremos a definição, aplicações, tipos, causas, efeitos, diagrama, controle e como medir tensões residuais.

O que é estresse residual?

A tensão residual é a tensão que permanece em um material (comum em um componente soldado) mesmo na ausência de carregamento externo ou gradiente de calor. As tensões residuais podem resultar em deformação plástica significativa, o que pode levar à distorção ou empenamento dos materiais. Eles podem afetar a suscetibilidade à fratura e fadiga em alguns casos.

As tensões residuais também são chamadas de tensões bloqueadas dentro de um objeto de metal, mesmo que o objeto esteja livre de forças externas. As tensões podem resultar em uma região do metal sendo restringida por regiões adjacentes de contração, expansão ou liberação de deformações elásticas. Como as tensões residuais podem ser de tração ou compressão, elas podem coexistir dentro de um componente.

Quais são as causas do estresse residual?

As tensões residuais ocorrem quando objetos ou componentes são tensionados além de seu limite elástico, resultando em deformação plástica. A deformação plástica pode ser devido ao seguinte:

• Transformações de fase durante o resfriamento de temperaturas elevadas.
• Tratamentos de superfície como esmaltação, galvanoplastia PVD e revestimento CVD.
• Deformação plástica não uniforme durante o aquecimento e resfriamento.
• Heterogeneidade de ordem química ou cristalográfica (nitretação ou cementação)
• Deformação não plástica durante o processamento mecânico, como durante a laminação, operações de conformação (dobra ou trefilação), usinagem e tratamentos mecânicos de superfície (shot peening e polimento de rolos).

A seguir estão as três causas de tensão residual:

Variações térmicas:

A variação térmica é quando um objeto é resfriado a partir de uma temperatura, isso geralmente ocorre em uma junta soldada devido ao intenso uso de calor para a união. Devido a isso, há uma grande diferença na taxa de resfriamento em todo o corpo que resulta em variações localizadas na superfície e no interior do material. Este nível diferente de contrações térmicas cria tensões não uniformes dentro de um objeto.

Durante o resfriamento, a superfície esfria a uma taxa mais rápida e o material aquecido é comprimido no centro. Enquanto a parte central do material leva tempo para esfriar, ela é restringida pelo material externo mais frio. Isso faz com que a parte interna tenha tensão residual de tração e a parte externa do material tenha tensão residual de compressão.

Processamento mecânico:

As tensões residuais que ocorrem devido à deformação plástica são causadas pelo processamento mecânico. Ocorre quando a deformação plástica não é uniforme através da seção transversal do material submetido a um processo de fabricação, como dobra, trefilação, extrusão, laminação, etc.

Durante o processo de deformação, uma parte do material é elástica e a outra é plástica. Assim, quando a carga é retirada, o material tenta recuperar a parte elástica da deformação. No entanto, é inibido para se recuperar totalmente por causa do material adjacente plasticamente deformado.

Transformação de fase:

A transformação de fase é outra maneira pela qual o estresse residual pode ser causado. Ocorre quando um material sofre uma transformação de fase, ou seja, uma diferença de volume entre a fase recém-formada e o material circundante que ainda não passou pela transformação de fase. Essa diferença de volume causa expansão ou contração no material, resultando em uma tensão residual

Quais são os efeitos do estresse residual?

As tensões residuais são benéficas em algumas situações, dependendo se a tensão é de tração ou compressão. As tensões residuais de tração podem ser grandes o suficiente para causar distorção ou rachaduras nos materiais. Além disso, tensões de tração são necessárias em rachaduras por fadiga e corrosão sob tensão. Isso ocorre porque as tensões residuais são somadas algebricamente com as tensões aplicadas. As tensões de tração residuais da superfície combinadas com a tensão de tração aplicada podem reduzir a confiabilidade do material. Além disso, as tensões de tração residuais às vezes são suficientes para causar trincas por corrosão sob tensão.

Geralmente, as tensões de compressão residuais da superfície reduzem os efeitos das tensões de tração aplicadas. De fato, as tensões de compressão da superfície contribuem para melhorar a resistência à fadiga e a resistência à trincas por corrosão sob tensão.

Assim como dito anteriormente, as tensões residuais são positivas ou negativas, dependendo da aplicação. Efeitos positivos são obtidos quando tensões residuais são implementadas nos projetos de algumas aplicações, que podem ser alcançadas por laser peening. Um laser peening confere tensão residual compressiva à superfície de um material. Isso endurece superfícies frágeis ou fortalece uma seção fina.

Geralmente, tensões residuais também podem resultar em efeitos negativos. Embora as tensões sejam muitas vezes invisíveis para os fabricantes, somente se resultarem em distorção significativa. A integridade estrutural pode ser afetada negativamente, por exemplo, estruturas soldadas de paredes espessas são mais propensas a fraturas frágeis do que estruturas com alívio de tensão.

Tipos de tensões residuais

Abaixo estão os diferentes tipos de tensões residuais:

Tensão residual de tração:

As tensões residuais de tração diminuem a resistência à fadiga e resultam em falha por fadiga. Geralmente são os efeitos colaterais de produções que resultam em moagem agressiva que provoca o crescimento de trincas. Eles também podem introduzir encolhimento, ajuste, flexão ou torção. A torção sempre permanece nos componentes fundidos como tensões residuais que podem causar trincas na superfície do componente. Além disso, a trinca por corrosão sob tensão é um evento que ocorre onde há tensões residuais de tração.

Tensões residuais de compressão:

As tensões residuais compressivas aumentam tanto a resistência à fadiga quanto a resistência à corrosão sob tensão. Eles podem ser intencionalmente formados por processos como shot peening, laser peening, polimento de baixa plasticidade e autofretagem. A tensão do material endurece ou trabalha a frio o material. Principalmente, a importância de induzir tensões residuais compressivas é equilibrar os efeitos prejudiciais das tensões de tração. O processo de tratamento térmico, conhecido como recozimento de alívio de tensão, também é usado para reduzir a tensão residual de tração.

As tensões residuais também podem ser classificadas em três tipos:

Tensão residual tipo 1:

Esses tipos de tensões residuais são conhecidos como tensões macro-residuais frequentemente desenvolvidas em grãos. Isso é resultado de qualquer mudança no equilíbrio da tensão residual que resultará em uma mudança nas dimensões macroscópicas. Tratamentos ou processos que causam a distribuição não homogênea de deformações produzirão tensões residuais do tipo 1.

Estresse Residual Tipo 2:

As tensões residuais do tipo 2 são tensões microrresiduais desenvolvidas em um grão. Eles podem de tamanhos diferentes em grãos diferentes. A transformação martensítica é a melhor para produzir essa tensão residual. Durante o processo de transformação, obtém-se uma transformação incompleta da austenita. No entanto, o volume da martensita é maior que o da austenita, resultando em diferentes formas de tensões residuais.

Estresse Residual Tipo 3:

As tensões residuais do tipo 3 são tensões residuais sub-micro desenvolvidas dentro de várias distâncias atômicas do grão. Sua formação é causada por defeitos cristalinos, como vacâncias, deslocamentos, etc.

assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre tensões residuais:

Como medir tensões residuais?

Existem diferentes técnicas que podem ser usadas para medir o estresse residual, que é amplamente categorizado em Destrutivo, Semi-destrutivo, Não-destrutivo. Eles são frequentemente usados, dependendo das informações necessárias.

Vamos entender essas técnicas de medição de tensão residual!

Destrutivo:

As técnicas de medição destrutiva de tensão residual são realizadas destruindo o objeto ou material a ser medido. Eles geralmente são realizados para fins de pesquisa e desenvolvimento. E é um método mais barato de medir e detectar o estresse residual quando comparado aos testes não destrutivos.

Os testes destrutivos podem ser feitos de duas maneiras:

• Método de contorno

Os métodos de contorno determinam a tensão residual cortando um objeto em dois e medindo seus mapas de altura de superfície em direção ao plano livre criado pelo corte. Este método determina as deformações causadas pela distribuição de tensões residuais e é utilizado para conhecer a quantidade de tensões residuais através de um modelo elástico de elementos finitos do corpo de prova. O resultado é um mapa 2-D de tensão residual que é normal ao plano de medição.

• Método de corte

Os métodos de corte longitudinal são técnicas usadas para medir através da espessura da tensão residual normal a um plano cortado através de um objeto. Isso envolve o corte de uma fenda fina em incrementos de profundidade através da espessura da peça de trabalho. A deformação resultante medida é alcançada pela profundidade da fenda. E a tensão residual é calculada pela posição da espessura de passagem, que é determinada resolvendo um problema inverso usando deformações medidas.

Semi-destrutivo:

Uma técnica de medição de tensão residual semi-destrutiva é semelhante a um tipo destrutivo. Isso ocorre porque eles usam um princípio de liberação de tensão para determinar a tensão residual. Mas apenas uma pequena quantidade de material foi removida em vez de destruir. Permite que a estrutura mantenha melhor sua integridade.

O teste semi-destrutivo também é realizado de duas maneiras:

• Perfuração profunda

A perfuração profunda é obtida perfurando um furo na espessura de um material, medindo o diâmetro do furo. Cortar uma ranhura circular ao redor do furo para remover um núcleo de material ao redor do furo e, em seguida, medir novamente o diâmetro do furo. As tensões residuais são descobertas aqui pela mudança geométrica.

• Perfuração de furo central

As técnicas de perfuração de furo central são feitas perfurando um pequeno furo em um objeto. Assim, quando o material contendo tensão residual é removido, o material remanescente atinge um novo estado de equilíbrio. Com isso, associam-se as deformações ao redor do furo. Strain gauges ou métodos ópticos são usados ​​para medir as deformações ao redor do furo durante a análise. A tensão residual original no material é calculada a partir das deformações medidas.

Não destrutivo:

Não destrutivo é outro método de medição e teste de tensões residuais em um material. Envolve medir os efeitos das relações entre as tensões residuais e suas mudanças materiais no espaçamento da rede cristalina.

O método não destrutivo pode ser alcançado de três maneiras:

• Difração de nêutrons

Os nêutrons são usados ​​para medir o espaçamento da rede cristalina em um material. Os nêutrons existentes no objeto têm energia comparável aos nêutrons incidentes. Isso permite que a tensão residual seja determinada a partir do espaçamento da rede.

• Difração de raios X síncrotron

Um síncrotron é usado para acelerar a radiação eletromagnética para permitir uma espessura real que conhece o espaçamento da rede do material. Uma abordagem semelhante à difração de nêutrons é usada para calcular a tensão residual.

• Difração de raios X

A medição da tensão residual da superfície é obtida com este método, uma vez que o raio-x penetra na superfície do objeto apenas algumas centenas de mícrons.

Como controlar o estresse residual

O controle da tensão residual é comum no material, pois será benéfico exigir algum tipo de tensão nas aplicações. Os materiais são expostos a condições de fadiga ou corrosão sob tensão ou se as tensões residuais são grandes o suficiente para causar deformação ou trincas nos componentes.

O controle das tensões residuais pode ser obtido por meio de tratamentos mecânicos, como shot peening, laminação a frio leve e estiramento. Pequenas quantidades de compressão são usadas para induzir tensão residual de compressão na superfície de um componente. Tratamento térmico de alívio de tensão, controle do processo de tratamento térmico e seleção de ligas são outros métodos de controle de tensões residuais.

Como o limite de escoamento do metal diminui à medida que sua temperatura aumenta, os metais podem ser aliviados de tensão por aquecimento a uma temperatura em que o limite de escoamento do metal é igual ou menor que a magnitude da tensão residual. Se isso acontecer, o metal pode sofrer deformação plástica microscópica, que liberará pelo menos uma parte da tensão residual. Após o alívio de tensão, a tensão residual máxima deixada no objeto será igual ao limite de escoamento do material na temperatura de alívio de tensão.

As tensões residuais podem ser reduzidas usando taxas de resfriamento reduzidas para diminuir as variações de temperatura, de modo que as transformações de fase possam ocorrer de forma mais uniforme em toda a seção transversal de um componente. Bem, isso será baseado na perspectiva de processamento de componentes. Neste caso, ligas com taxas de resfriamento mais lentas podem ser selecionadas, enquanto as transformações de fase desejadas ainda ocorrerão.

Conclusão

Tensões residuais foram vistas como de posição ou negativas no material. Eles podem ocorrer e reduzir a longevidade do material e também podem ser implementados propositalmente em um objeto para obter algumas tensões residuais. Neste artigo, vimos a definição, tipos, causas, efeitos, controle e como medir tensões residuais.

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