Tensioni residue nei getti di fusione: come determinarle

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tensioni residue nei getti di fusione

Tensioni residue nei getti di fusione, come si formano?

Ricordiamo che per tensioni residue si intendono: tutte quelle tensioni presenti all’interno di un corpo quando questo è in condizioni di equilibrio con l’ambiente circostante”, e quindi senza che abbiano nessuna evidenza esterna, tanto è vero che talvolta vengono definite anche come  “tensioni interne” o “tensioni residue”.

In un materiale metallico tali tensioni derivano sempre da una qualche condizione di disomogeneità all’interno del materiale, disomogeneità che, nei getti di fusione, è solitamente associata al fatto che il raffreddamento del getto non avviene contemporaneamente in ogni punto, raffreddandosi la superficie interna prima del cuore del materiale, e le zone a parete sottile prima delle parti più massicce

In termini generali le tensioni residue vengono a crearsi quando all’interno del componente sono presenti elementi di  disomogeneità nelle caratteristiche metallurgiche o di processo del materiale”.

Nel caso dei getti di fusione, a meno di errori macroscopici che portino ad avere differenze di omogeneità del materiale tra le diverse zone del pezzo, la principale fonte di tensioni residue è indubbiamente il processo di raffreddamento, o per meglio dire la non contemporaneità del raffreddamento tra le diverse zone dello stesso componente.

Ricordando infatti come il volume specifico di un materiale metallico sia direttamente proporzionale alla temperatura , ne consegue che quando avviene il raffreddamento della parte esterna di un getto, la parte interna è costituita da materiale ad alta temperatura. Nel momento in cui il raffreddamento si sia esteso anche al cuore del materiale, questo non potrà contrarsi liberamente in quanto vincolato dalla superficie esterna ormai solidificata: avremo quindi la parte esterna sollecitato in compressione dal materiale a cuore, che a sua volta sarà sollecitato in trazione dalla parte esterna.

Analoghe considerazioni sono valide nel caso in cui il getto presenti parti a diverso spessore, con le parti a pareti sottili stabilizzate prima delle parti a sezione maggiore, e quindi l’instaurarsi di reciproca trazione o addirittura di deformazioni.

Possiamo quindi dire che lo stato tensionale in un getto a pareti sottili ha almeno due componenti, una per così dire “verticale” indotta dalle interazioni tra il materiale in superficie e il materiale sottostante, ed una “geometrica” indotta dai vincoli costituiti dal materiale circostante

Ma quanto incidono le tensioni residue sulle difettosità dei getti di fusione?

Molto, per non dire moltissimo.

Basti considerare che nella classificazione internazionale dei difetti di fusione, così come standardizzata dalla ICFTA – International Committee of Foundry Technical Associations (commissione internazionale delle associazioni tecniche di fonderia), sono previste 7 macro categorie:

  • Sporgenze
  • Cavità
  • Discontinuità
  • Imperfezione superficiale
  • Getto incompleto
  • Errore dimensionale
  • Inclusioni o anomalie strutturali

All’interno delle difettosità di discontinuità (categoria C), ossia alle rotture presenti all’estrazione dello stampo, è espressamente prevista la sottocategoria C200 “Discontinuities caused by internal tension and restraints to contraction (cracks and tears)”

Classificazione dei difetti di discontinuità imputabili alle tensioni interne secondo la classificazione ICFTA

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Classificazione dei difetti di discontinuità (rottura) imputabili alle tensioni interne secondo la classificazione International Committee of Foundry Technical Associations (ICFTA)

Mentre nelle difettosità di errore dimensionale (categoria F) sono ben 4 le tipologie di non conformità imputabili alle tensioni residue

Classificazione dei difetti geometrico – dimensionali imputabili alle tensioni interne secondo la classificazione International Committee of Foundry Technical Associations (ICFTA)
Classificazione dei difetti geometrico – dimensionali imputabili alle tensioni interne secondo la classificazione International Committee of Foundry Technical Associations (ICFTA)

 

 

Ma come abbiamo spesso ripetuto,- il pericolo maggiore delle tensioni residue non è tanto quello che portino alla rottura o alla deformazione del componente all’estrazione della stampo, quanto che rimangano “nascoste” all’interno del componente, diminuendone drammaticamente la resistenza in esercizio- : ecco quindi che diventa fondamentale la capacità di misurazione delle tensioni residue in getti di fusione, prima come strumento di messa a punto del processo, e successivamente come strumento di controllo qualità del prodotto.

Misurazione delle tensioni residue: Cutting, Ring Core e Hore Drill

Sostanzialmente, la misurazione delle tensioni residue presenti nei getti di fusione avviene sfruttando la misurazione, mediante estensimetri, dalla deformazione del componente conseguentemente all’asportazione di una quantità controllata di materiale (secondo il principio illustrato nella figura 3) o conseguentemente alla rottura di un vincolo interno.

Esemplificazione di rilassamento per asportazione
Esemplificazione di rilassamento per asportazione

Le modalità esecutive di tali operazioni rendono la misurazione più o meno distruttiva per il componente : le metodologie piu’ distruttive vengono solitamente utilizzate per la qualificazione e messa a punto dei processi, mentre le metodologie meno invasive vengono utilizzate per il controllo qualità di getti comunque destinati ad essere utilizzati.

In termini di “distruttività” del componente, parleremo quindi di cutting, ring-core e hole-drill.

Uno specifico estensimetro per la misurazione delle tensioni residue mediante tecnica hole-drill con evidenziate le tre griglie di misurazione e la localizzazione prevista per il foro
Uno specifico estensimetro per la misurazione delle tensioni residue mediante tecnica hole-drill con evidenziate le tre griglie di misurazione e la localizzazione prevista per il foro

 

Nel caso dell’applicazione della tecnica cutting, il metodo prevede di applicare l’estensimetro sulla zona da investigare e procedere a “separare” tale zona dal materiale adiacente mediante una serie di tagli (in inglese “cut”, da cui la denominazione del metodo)

A seconda del posizionamento dei tagli è possibile separare lo stato tensionale indotto per esempio dai vincoli circostanti da quello trasmesso “in superficie” dalle tensioni più interne.

In questo caso l’esecuzione progressiva di diversi tagli ha permesso di determinare separatamente lo stato tensionale indotto dalle parti adiacenti da quello proprio del materiale nel punto considerato (es da trattamento termico)
In questo caso l’esecuzione progressiva di diversi tagli ha permesso di determinare separatamente lo stato tensionale indotto dalle parti adiacenti da quello proprio del materiale nel punto considerato (es da trattamento termico)

Questo metodo soffre evidentemente il fatto di essere completamente distruttivo per il componente analizzato, ma offre il vantaggio di essere di facile applicazione e interpretazione (visto che la deformazione che viene rilasciata corrisponde a tutto lo stato tensionale presente, per cui la tensione pre-esistente è immediatamente ricavabile dalla costante elastica del materiale), nonché di permettere di separare il contributo interno del materiale da quello dei vincoli circostanti.

Nel caso delle tecniche ring-core e hole-drill invece, l’asportazione di materiale è molto più controllata e notevolmente minore in quantità (addirittura minima nel caso dell’ hole drill).

fig.7
Il diverso approccio della tecnica hole-drill e ring-core: nella prima viene praticato un foro di ridottissime dimensioni (solitamente 2mm di profondità e 1,6mm di diametro) e la deformazione viene rilevata esternamente al foro, nella seconda l’asportazione del materiale avviene esternamente al foro, realizzando una sorta di “cutting” in miniatura
La necessità di posizionare la fresa di foratura con precisione assoluta e la necessità di eseguire la foratura con profondità controllata richiede l’utilizzo di specifiche attrezzature di foratura
La necessità di posizionare la fresa di foratura con precisione assoluta e la necessità di eseguire la foratura con profondità controllata richiede l’utilizzo di specifiche attrezzature di foratura

Volendo semplificare, possiamo dire che nella tecnica ring-core il materiale viene asportato intorno all’estensimetro, che ancora una volta misura direttamente il rilassamento completo del materiale, mentre nella tecnica hole-drill il materiale asportato si riduce ad un piccolissimo foro di 2mm di profondità e 1,6mm di diametro, e la deformazione viene misurata radialmente all’esterno di tale foro. In questo caso il rilassamento del materiale è solo parziale e la ricostruzione della tensione complessiva passa attraverso un algoritmo di calcolo integrale, che considera la deformazione via via rilasciata all’aumentare della profondità di penetrazione del foro: una misurazione la cui procedura richiede estensimetri specifici, una attrezzatura di foratura altrettanto specializzata e algoritmi di calcolo relativamente complessi.

Nonostante questo, grazie anche alla sua minima distruttività per il componente, tra le ultime due tecniche  indubbiamente la hole-drill è quella maggiormente utilizzata, tanto da essere oggetto di una specifica normativa internazionale (ASTM E-837 Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling StrainGage Method)

Conclusioni

Le tensioni residue sono un fenomeno estremamente pericoloso per i getti di fusione, non tanto per la possibilità che causino la rottura o la deformazione del componente durante l’estrazione dallo stampo e le successive lavorazioni, quanto perché possono indurre nel componente uno stato tensionale assolutamente privo di evidenze esterne ma in grado di diminuire drammaticamente la resistenza in esercizio del componente.

Fortunatamente sono state sviluppate tecniche di misurazione in grado di quantificare con ottima accuratezza gli stati tensionali nei getti di fusione, sfruttando il principio che ad una asportazione di materiale consegue una deformazione nelle zone adiacenti

Tre tagli mediante i quali si è provveduto ad eliminare dalla zona monitorata gli effetti tensionali indotti dalle parti circostanti: dalla deformazione rilevata dall’estensimetro (qui protetto da una specifica protezione) + possibile risalire allo stato tensionale precedente l’esecuzione dei tagli
Tre tagli mediante i quali si è provveduto ad eliminare dalla zona monitorata gli effetti tensionali indotti dalle parti circostanti: dalla deformazione rilevata dall’estensimetro (qui protetto da una specifica protezione) + possibile risalire allo stato tensionale precedente l’esecuzione dei tagli

 

Il posizionamento dell’estensimetro nella zona da investigare
Il posizionamento dell’estensimetro nella zona da investigare

 

Il getto di un basamento motore: con la sua geometria complessa e la sua alternanza di pareti a diverso spessore è un tipico esempio applicativo per la tecnica del cutting
Il getto di un basamento motore: con la sua geometria complessa e la sua alternanza di pareti a diverso spessore è un tipico esempio applicativo per la tecnica del cutting

 

 

di Francesco Chichi

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