Tensioni residue

Cosa sono le tensioni residue?

Le tensioni residue sono una serie di forze presenti all’interno dei materiali anche senza sollecitazioni esterne e con temperature costanti ed uniformi.

Queste tensioni, al pari degli stress da carico, comportano variazioni nella stabilità del sistema modificandone congiuntamente dimensione, resistenza alla fatica ed alla frattura. Gli stress residui, che si sviluppano solitamente nel pezzo stesso durante i processi di fabbricazione e di lavorazione, possono combinarsi con i carichi di esercizio, accelerando la velocità di crescita dei difetti e portando alla rottura prematura e spesso catastrofica del pezzo.

Le cause del manifestarsi delle tensioni residue

Le cause che portano al manifestarsi delle tensioni residue sono generalmente suddivise in tre macro categorie accomunate da particolari caratteristiche:
- Tensioni residue di origine meccanica
- Tensioni residue di origine termica
- Tensioni residue originate da trasformazione di fase.
In tutti i casi le tensioni residue possono essere di trazione o di compressione;
quelle di compressione a volte casi sono benefiche e vengono volutamente aggiunte
nei componenti meccanici prima di applicare i carichi di esercizio. Il caso più comune è il trattamento di pallinatura o shot peening.

Nella pratica, gli eventi più comuni che comportano il presentarsi delle tensioni residue sono:
- lavorazioni meccaniche
- processi forgiatura e saldatura
- non uniformità della temperatura nel volume del metallo nelle fasi di fusione o di raffreddamento
- riscaldamento dei materiali durante i trattamenti termici
- densità non uniforme del materiale dovuta ad esempio ai processi di tempra dei metalli

Importanza dell´analisi delle tensioni residue

L’analisi delle tensioni residue assume un ruolo di fondamentale rilievo nelle fasi di progettazione meccanica, in quanto solo attraverso la rilevazione qualitativa e quantitativa di tali forze è possibile determinare quali processi siano più idonei alla lavorazione dei componenti, quale sia la quantità ottimale di materiale da utilizzare nella loro realizzazione o la sua particolare conformazione, in modo tale da prevedere ed evitare malfunzionamenti o rotture.

Modalità di rilievo delle tensioni residue

Una delle modalità non distruttive di rilievo delle tensioni residue più efficiente in termini di costo, accuratezza e versatilità è il “metodo del foro”. Eseguendo un foro di dimensioni dell’ordine di 1,8mm x 2mm si va ad indurre una variazione dello stato tensionale che comporta un cambiamento ed una ridistribuzione delle forze all’interno della struttura. Tale cambiamento può essere misurato attraverso una rosetta estensimetrica a tre rami, acquisendo e rielaborando i dati in modo tale da ottenere la misura dello stress residuo.

Fasi del processo di misura delle tensioni residue

Riassumendo, le fasi del processo che permettono di rilevare le tensioni residue all’interno di un materiale sono:
- applicazione di una rosetta estensimetrica a tre griglie radiali,
- esecuzione di un foro passante o cieco centrato con la rosetta,
- misura delle deformazioni prodotte dal rilassamento delle tensioni residue,
- calcolo delle tensioni residue mediante l’elaborazione delle deformazioni misurate.