COME INTERAGISCONO TENSIONI APPLICATE E TENSIONI RESIDUE?

Con l’aiuto del Dr. Ing. Oliver Maiss, responsabile di Ricerca & Sviluppo di ECOROLL, cerchiamo di spiegare in modo semplice e accessibile alcune nozioni sulle tensioni residue. Queste possono avere un ruolo positivo nell’alleviare i carichi dinamici cui sono sottoposti molti oggetti che sfruttiamo più o meno direttamente nel quotidiano. In molti casi, anche inconsapevolmente, beneficiamo di questi effetti percependo una maggior vita utile di oggetti di uso comune.

COME STIMARE GLI EFFETTI DELLE TENSIONI RESIDUE

Non sempre è facile stimare l’effetto delle tensioni residue durante la fase di progettazione. È generalmente noto che le tensioni residue possono influenzare in modo significativo la durata dei componenti. Per questo motivo vengono utilizzati con frequenza processi quali la rullatura profonda, la martellatura meccanica e la pallinatura. Questi processi generano le tensioni residue di compressione necessarie nella zona subsuperficiale del pezzo e sono quindi in gran parte responsabili dell’aumento della vita utile di un componente sottoposto a carichi dinamici. Tuttavia è ancora difficile per i reparti di progettazione tenerne conto nei loro calcoli preliminari. Di seguito spiegheremo come sia possibile effettuare una prima stima approssimativa e come le tensioni residue influenzino effettivamente la resistenza dinamica.

LE TENSIONI RESIDUE SONO TENSIONI INTERNE ALLA MICROSTRUTTURA

Innanzitutto, è necessario comprendere cosa siano effettivamente le tensioni residue. Le tensioni residue sono sollecitazioni presenti nella microstruttura di un componente anche quando su di esso non agiscono forze esterne, coppie o gradienti di temperatura, ovvero quando il componente è completamente privo di qualsiasi carico (cioè a riposo). Possono verificarsi in qualsiasi punto della catena di produzione e sono il risultato di carichi meccanici e termici subiti durante le singole fasi di produzione. Ad esempio, durante la fusione, possono insorgere le cosiddette sollecitazioni di fusione, poiché il componente si raffredda a velocità diverse nelle sue diverse aree. Le tensioni possono insorgere durante la lavorazione meccanica a causa delle forti sollecitazioni termomeccaniche causate dal tagliente di una fresa o altro utensile. Possono anche essere generate specificamente mediante processi di solidificazione meccanica.

SOVRAPPOSIZIONE DI TENSIONI RESIDUE E DOVUTE A CARICHI ESTERNI

Come tutte le sollecitazioni, anche le tensioni residue possono essere sovrapposte alle sollecitazioni di un carico esterno. Ciò può essere spiegato mediante una semplice somma algebrica. In altre parole, le sollecitazioni di carico e residue vengono semplicemente sommate tra loro: il risultato è quindi una sollecitazione risultante. Possiamo comprenderlo facilmente utilizzando l’esempio di uno stato di sollecitazione monoassiale, applicata ad esempio a una barra. Se a questo componente viene applicata una sollecitazione di trazione monoassiale di s_carico = 600 MPa e non presenta sollecitazioni residue, la sollecitazione risultante è sempre e solo s_ris = 600 MPa.
Se, invece, la barra è soggetta a una sollecitazione residua di compressione (quindi contraria a quella applicata) di s_tr = -200 MPa nella stessa direzione, allora matematicamente i 200 MPa vengono sottratti dai 600 MPa e la sollecitazione risultante è s_ris = s_carico + s_tr = 400 MPa. Una barra che si romperebbe a 550 MPa, ad esempio, potrebbe quindi essere utilizzata nel secondo caso, ma non nel primo. Questo spiega in modo comprensibile l’effetto delle tensioni residue.

Ma cosa succede in caso di stato di sollecitazione multiassiale? In questo caso, ovviamente, il concetto deve essere applicato all’intero tensore delle sollecitazioni. In questo caso i valori di sollecitazione residua corrispondenti devono essere utilizzati per ciascun componente del tensore di sollecitazione. Ad esempio, nella direzione x, la sollecitazione principale di s(x) deve essere calcolata con le sollecitazioni principali nella direzione x. Se questo viene fatto per tutti i componenti e per le sollecitazioni di taglio, il risultato è un tensore di sollecitazione completo con sollecitazioni principali [1].

Per stimare l’effetto sulla resistenza è possibile applicare i concetti di sollecitazione equivalente. Ciò comprime il tensore delle sollecitazioni in un unico valore di sollecitazione e consente di confrontarlo con le caratteristiche di resistenza dal diagramma sforzo-deformazione.

Naturalmente il metodo qui presentato non costituisce una valutazione completa della durata della vita utile e per stimare la resistenza dinamica è sempre necessario eseguire ulteriori calcoli o prove (meglio se sperimentali!). Tuttavia il metodo qui presentato consente di stimare approssimativamente l’effetto benefico delle tensioni residue. Non vengono tuttavia presi in considerazione effetti quali l’ulteriore rafforzamento della microstruttura o la riduzione delle tensioni residue durante l’applicazione del carico.

LA RULLATURA PROFONDA COME STRUMENTO PER INTRODURRE TENSIONI RESIDUE

Attraverso il processo di rullatura profonda possiamo quindi introdurre in modo mirato e opportuno delle tensioni residue. Che si impieghino utensili meccanici oppure idrostatici, con parametri opportuni è possibile aumentare la vita utile di un componente in modo significativo.
La rullatura profonda può aiutare a produrre componenti più robusti, leggeri e durevoli, il tutto con un impatto ambientale minimo e tempi-ciclo contenuti.

Fonti: