O que é tensão residual?
Vamos começar com uma definição formal de tensão residual:
A tensão residual refere-se ao impacto e à influência de vários fatores no processo de fabricação. Quando esses fatores são removidos e o componente não consegue perder completamente os efeitos e influências, o impacto e a influência remanescentes são conhecidos como tensão residual.
Ainda um pouco confuso? Vamos simplificar.
Por exemplo, considere uma pessoa que já foi magra e comprou jeans tamanho L. Depois de um ano, a pessoa fica acima do peso. Quando voltarem a usar o jeans, sentirão que as calças estão muito justas, pois ganharam peso, mas o jeans não mudou.
Nesse ponto, existe uma força forte entre o corpo e a calça, e se a força for muito forte é fácil rasgar a calça. Esta força destrutiva é um exemplo de tensão residual.
Do ponto de vista energético, quando uma força externa faz com que o objeto sofra deformação plástica, ela cria deformação interna, que acumula alguma energia. Quando a força externa é removida, a energia com distribuição desigual de tensão interna é liberada.
Se o objeto não for muito frágil, ele se deformará lentamente, mas se a fragilidade for alta, irão se formar rachaduras.
Fig. 1 Efeito da tensão residual
A tensão residual é um problema predominante na fabricação mecânica e ocorre em quase todos os processos.
No entanto, as causas profundas da tensão residual podem ser classificadas em três categorias principais:
- Deformação plástica não uniforme
- Mudanças desiguais de temperatura
- Transições de fase não homogêneas.
Danos da tensão residual
A partir da categorização da tensão residual, fica evidente que ela pode causar deformação lenta e alterar o tamanho do objeto. Isso pode resultar em um tamanho não qualificado de peças usinadas, perda de precisão no instrumento e rachaduras ou até mesmo quebra em peças fundidas ou forjadas.
Além disso, a tensão residual tem um impacto significativo na resistência à fadiga, resistência à corrosão sob tensão, estabilidade dimensional e vida útil do objeto.
Durante o processo de resfriamento, pode ser gerada tensão térmica residual devido ao resfriamento irregular causado por processos inadequados, levando a fraturas da peça fundida.
Fig. 2 fratura da peça fundida durante o resfriamento
Durante o processo de têmpera por tratamento térmico, o material está sujeito à fratura devido à transformação martensítica da austenita sub-resfriada.
Fig. 3 fratura de metal durante têmpera
Medição de tensão residual
Os métodos de medição da tensão residual podem ser classificados em três categorias: métodos mecânicos, químicos e de raios-X.
Mmétodo mecânico
O método mecânico mais utilizado é o método de perfuração, também conhecido como método de furo cego.
Fig. 4 Diagrama esquemático do método de perfuração
Figura 5 método de perfuração
Durante o método de perfuração, uma seção de uma barra ou tubo com três vezes o seu diâmetro é cortada do objeto. Um furo passante é perfurado no centro e, em seguida, uma fina camada de metal é removida do interior usando uma haste ou broca, sendo cada remoção de cerca de 5% da área da seção transversal.
Após a remoção, o alongamento do comprimento e diâmetro da amostra é medido. Uma curva de relação entre estes valores e a área da seção do poço é criada, e a derivada de qualquer ponto na curva é calculada para determinar a taxa de mudança no alongamento e na seção do poço. O valor da tensão residual pode então ser obtido usando a fórmula de tensão apropriada.
Método Químico
O método químico tem dois conceitos.
Um conceito envolve a imersão da amostra em uma solução adequada e a medição do tempo desde o início da corrosão até o aparecimento de trincas, determinando então a tensão residual com base nesse tempo. As soluções utilizadas podem incluir mercúrio e sais contendo mercúrio para bronze de estanho e bases fracas e nitratos para aço.
O segundo conceito do método químico envolve a imersão da amostra em uma solução adequada e sua pesagem regular. Este processo cria uma curva de redução de peso versus tempo, que pode então ser comparada a uma curva padrão para determinar a tensão residual. Quanto mais alta for a posição da curva, maior será a tensão residual.
Fig. 7 curva de pesagem do método químico
Método de raios X
O método de raios X envolve o uso de raios X para penetrar em peças metálicas, e o método Laue pode determinar qualitativamente a tensão residual analisando as mudanças na forma dos pontos causadas pela interferência dos raios X.
Figura 8 princípio do método de raios X
Quando não há tensão residual, os padrões de interferência aparecem como pontos. Por outro lado, a presença de tensão residual faz com que os padrões de interferência se alongem e se assemelhem a uma forma de “estrela”.
(a) Nenhuma tensão residual (b) existe tensão residual
Fig. 9 resultados de medição do método Laue
O método Debye é capaz de quantificar a tensão residual analisando a posição, largura e intensidade das linhas de difração no diagrama de Debye.
(a) método de transmissão (b) método de retro-reflexão
Fig. 10 diagrama esquemático do método Debye
Embrulhe isso
Os métodos mecânicos e químicos são considerados métodos de teste destrutivos, pois exigem a coleta de uma amostra local do objeto que está sendo testado e resultam em danos irreversíveis. Em contraste, o método de raios X é um método de teste não destrutivo que preserva a integridade do objeto.
O método mecânico é particularmente adequado para objetos em forma de barra ou tubo e é capaz de determinar com precisão o tamanho e a distribuição da tensão residual. Por outro lado, o método químico, que é adequado para objetos do tipo arame e chapa, fornece apenas um julgamento qualitativo e é difícil de fazer uma determinação quantitativa.
Embora o método de raios X não seja destrutivo, ele só é aplicável a materiais que produzem linhas de difração claras e nítidas. Além disso, sua capacidade de projeção limitada restringe seu uso para detectar apenas tensões residuais próximas à superfície do objeto.
Eliminação de tensão residual
Devido aos perigos potenciais associados a tensão residual, é crucial ter métodos eficazes para a sua eliminação. Existem quatro métodos de eliminação comumente usados: tratamento térmico, pressurização de carga estática, alívio de tensão vibratória e tratamento mecânico.
Tratamento térmico
O tratamento térmico é um método que utiliza o efeito de relaxamento térmico da tensão residual para reduzi-la ou eliminá-la. Este método normalmente envolve o uso de processos de recozimento ou têmpera.
Fig. 11 tratamento de recozimento de tratamento térmico
Pressurização de carga estática
A pressurização de carga estática envolve a modificação da tensão residual em uma peça por meio de deformação plástica, seja em escala total ou parcial ou mesmo em microescala.
Por exemplo, após a soldagem, grandes vasos de pressão podem sofrer “abaulamento”, um processo no qual são pressurizados por dentro, resultando em uma pequena deformação plástica na junta de soldagem e em uma redução da tensão residual da soldagem.
Fig. 12 grande tanque de óleo após abaulamento
Vvibração alívio de tensão
O alívio de tensão de vibração (VSR) é um método comumente usado para eliminar tensões residuais internas em materiais de engenharia.
Neste método, a peça de trabalho é submetida a vibrações, e se a soma da tensão interna residual e da tensão de vibração adicional exceder a resistência ao escoamento do material, isso leva a uma pequena deformação plástica, relaxando e reduzindo assim a tensão interna no material.
Fig. 13 Sistema VSR quantificável de deformação
Mtratamento mecânico
O tratamento mecânico envolve a redução da tensão residual através de pequenas deformações plásticas na superfície de um objeto. Isso pode ser alcançado por meio de métodos como colisão de peças entre si, laminação de superfície, trefilação de superfície, dimensionamento de superfície e prensagem fina em um molde.
Por exemplo, passar a ferro é um exemplo de processo que elimina efetivamente a tensão residual.
