No processo de processamento e fabricação de materiais, a tensão residual é um fenômeno comum, que tem um impacto importante no desempenho e na vida útil dos materiais. Compreender as causas da tensão residual, as características de distribuição espacial e seu impacto nas propriedades dos materiais, para melhorar a qualidade do produto e a prevenção de acidentes de segurança é de grande importância.
I. Causas de tensão residual
A tensão residual refere-se ao final do processamento do material, a peça ainda retém a tensão interna. Esse estresse decorre principalmente dos seguintes aspectos:
1. Deformação plástica irregular
Quando a peça de trabalho é submetida a cargas complexas (como laminação a frio, trefilação, extrusão e shot peening de superfície, laminação, etc.), devido à força desigual na seção transversal-, o local de grande força pode produzir deformação plástica, enquanto o local de pequena força ainda pode ser deformação elástica. Quando sem carga, essas deformações plásticas irregulares podem levar a tensões residuais na peça de trabalho. Especificamente, as áreas esticadas estão sujeitas a tensões de compressão após a descarga, enquanto as áreas adjacentes estão sujeitas a tensões de tração. Esta tensão residual devido à deformação plástica irregular é uma forma comum de tensão em processos de usinagem.
2. Efeitos térmicos do campo de temperatura não homogêneo
No processamento térmico, os processos de aquecimento e resfriamento são geralmente muito complexos, envolvendo aquecimento e resfriamento rápidos, bem como aquecimento e resfriamento localizados. Como o calor só pode ser transferido através da superfície, a peça terá diferenças na expansão térmica devido à falta de homogeneidade da temperatura durante o aquecimento e o resfriamento, o que por sua vez gera tensões térmicas transitórias. Quando o valor dessas tensões térmicas transitórias excede o limite de escoamento em alta temperatura do material, ocorre deformação plástica em certas áreas. Quando o processo de aquecimento termina, embora a peça tenha esfriado até a temperatura ambiente, tensões residuais são geradas dentro da peça devido à deformação plástica irregular durante o processo de aquecimento. Tais tensões residuais devido a campos de temperatura irregulares são particularmente comuns em processos de tratamento térmico.
3. Efeitos de transição de fase
Durante o processamento do material, alterações na organização metalúrgica (por exemplo, transformação de austenita em martensita durante a têmpera) levam a alterações no volume específico interno do material, o que por sua vez gera tensões de transição de fase. Esta tensão de transição de fase também permanecerá dentro da peça após o processamento, formando tensão residual.
Em segundo lugar, a distribuição espacial das características de tensão residual
A distribuição espacial da tensão residual depende da sua causa e das condições específicas de processamento. De modo geral, a tensão residual pode ser dividida em três categorias: tensão residual macro, tensão residual micro e tensão residual ultra-micro.
1. Estresse residual macro
A tensão residual macroscópica está na peça como um todo ou na faixa macro de tensão residual para atingir o equilíbrio. A distribuição dessa tensão costuma ser mais uniforme, o desempenho geral da peça tem um impacto maior. No processo, devido à deformação plástica irregular ou ao campo de temperatura irregular do efeito térmico, a peça produzirá tensão residual macro de tração ou compressão.
2. Microtensão residual
As tensões residuais microscópicas são tensões residuais que atingem o equilíbrio dentro de alguns grãos da peça. A distribuição desta tensão é geralmente mais complexa, sendo a forma, o tamanho e a orientação do grão e outros fatores. Durante a deformação plástica, tensões residuais microscópicas de tração ou compressão são geradas devido às interações dos grãos e à presença de limites de grãos. Essas tensões têm uma influência importante nas propriedades locais do material, como resistência à fadiga e taxa de extensão de trinca.
3. Estresse residual ultra-microscópico
A tensão residual ultra-microscópica é um grande número de superfícies atômicas na peça de trabalho, colunas atômicas próximas ao equilíbrio da tensão residual. A distribuição dessa tensão é mais complexa e está relacionada à microestrutura do material e aos defeitos e outros fatores. Durante as transformações de fase, tensões residuais ultramicroscópicas de tração ou compressão são geradas devido a distorções e defeitos da rede. Essas tensões influenciam as propriedades físicas e químicas do material.
As características de distribuição espacial das tensões residuais não dependem apenas das suas causas, mas também estão intimamente relacionadas com as condições específicas do processo. Por exemplo, durante o processo de soldagem, o cordão de solda e suas áreas vizinhas sofrem rápido aquecimento e resfriamento, resultando em uma distribuição complexa de tensões residuais nessas áreas. A falta de homogeneidade destas distribuições de tensão pode ter um efeito importante na resistência e tenacidade da solda.
Terceiro, o impacto da tensão residual nas propriedades do material
A tensão residual tem um efeito significativo nas propriedades mecânicas dos materiais. Em termos de limite de escoamento, quando há tensões de tração residuais dentro do material, isso reduzirá o limite de escoamento do material, tornando o material mais sujeito à deformação plástica. Por outro lado, as tensões de compressão residuais aumentam até certo ponto a resistência ao escoamento do material. Para a resistência à tração, a presença de tensão residual alterará a distribuição de tensões do material no processo de tração, afetando assim a sua resistência à tração. Além disso, a tensão residual também terá impacto na plasticidade, tenacidade e dureza do material e outros indicadores. Por exemplo, a tensão de tração residual aumenta o alongamento do material, enquanto a tensão de compressão residual diminui o alongamento do material. Em termos de dureza, a tensão residual de tração diminui a medição da dureza, enquanto a tensão residual de compressão aumenta a medição da dureza.
O efeito da tensão residual na vida à fadiga de um material é ainda mais crítico. Sob o efeito da carga alternada, a tensão de tração residual se sobreporá à carga aplicada, acelerando o surgimento e expansão de fissuras, reduzindo significativamente a vida à fadiga do material. Portanto, no projeto e fabricação de peças mecânicas, o impacto da tensão residual deve ser totalmente considerado, a fim de evitar falhas por fadiga causadas por tensão residual excessiva.
2. Impacto nas propriedades físicas
A tensão residual também terá impacto nas propriedades físicas do material. Por exemplo, em termos do coeficiente de expansão térmica, a tensão residual alterará a estrutura interna do material, o que por sua vez afecta as suas características de expansão térmica. Quando tensões residuais estão presentes em um material, o coeficiente de expansão térmica pode mudar, o que em algumas aplicações sensíveis à temperatura (por exemplo, sistemas de controle térmico na indústria aeroespacial) pode levar a problemas com o ajuste dos componentes. Além disso, a tensão residual afeta a condutividade térmica e elétrica do material. Estudos demonstraram que as tensões residuais podem distorcer o arranjo atômico dentro de um material, aumentando a probabilidade de dispersão de fônons e elétrons, reduzindo assim a condutividade térmica e elétrica do material. Em dispositivos eletrônicos, onde a dissipação de calor e a condutividade elétrica são críticas, esse efeito da tensão residual pode levar a uma diminuição na eficiência térmica e a um aumento na resistência do dispositivo, o que por sua vez afeta o desempenho e a estabilidade do dispositivo.
