I trattamenti anti-tensioni residue

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Le tensioni residue sono “nascoste” per definizione, costituendo un sistema di sollecitazioni autoequilibrato e pertanto privo di manifestazioni verso l’esterno. Ma nascosti sono anche i suoi effetti suoi materiali. In questo articolo cercheremo di collegare i fenomeni fisici che sono alla base delle tensioni residue con l’effetto che queste hanno sulle caratteristiche resistenziali di un materiale in cui siano presenti. L’obiettivo è capire perchè così tanti trattamenti e lavorazioni di finitura siano finalizzate ad annullare le tensioni residue di trazione eventualmente presenti e magari a indurne di nuove in compressione.

Purtroppo, le tensioni residue sono un argomento misterioso ai più, anche in quello che invece dovrebbe essere l’aspetto di maggior interesse (o maggiore preoccupazione, a seconda di come la si voglia vedere), ossia l’impatto che queste possono avere sulle caratteristiche di lavorabilità dei materiali e sulle loro caratteristiche di resistenza una volta che tali materiali finiscono in esercizio. Iniziamo quindi a cercare di capire l’essenza fisica delle tensioni residue, ricordando quanto abbiamo avuto modo di vedere nel precedente articolo dedicato ai meccanismi attraverso cui le tensioni residue si vengono ad instaurare in un materiale. In base a quanto esposto in quell’articolo, possiamo affermare che le tensioni residue altro non sono che una forma di accumulo di energia in campo elastico come conseguenza di una “disomogeneità” (e quindi uno squilibrio) delle caratteristiche meccaniche o metallurgiche di zone adiacenti all’interno di uno stesso elemento. Pertanto, in termini assolutamente generali possiamo considerare le tensioni residue come una qualunque forma di sollecitazione statica, con l’unica particolarità di essere applicata all’interno dell’elemento in oggetto.

Tensione vs deformazione

Come abbiamo appena esposto, le tensioni residue possono essere viste come una forma di accumulo di energia potenziale elastica all’interno del materiale, esattamente come lo è una molla compressa.
E proprio come una molla compressa, la maniera più “naturale” attraverso cui le tensioni residue possono arrivare ad annullarsi è attraverso una deformazione. Pertanto, considerando un elemento soggetto ad un sistema equilibrato di tensioni interne, qualunque intervento che alteri la sua condizione di equilibrio può dare luogo ad una deformazione macroscopica dell’elemento stesso. Anche in questo caso gli esempi possono essere innumerevoli, ma di solito accumunati dal fatto che non se ne riconoscono le tensioni residue come la causa.

Una prima possibile causa del rilascio di tensioni residue sotto forma di deformazione sono le lavorazioni meccaniche per asportazione: asportare materiale corrisponde alla rimozione del vincolo che teneva compressa la molla “virtuale” vincolata all’interno del materiale e la deformazione a cui può essere soggetto un componente durante la lavorazione altro non sono che l’effetto del rilassamento di quella molla… In questo senso un esempio tipico può essere dato da operazioni di finitura meccanica di lastre trafilate. La trafilatura è una operazione che, se effettuata in maniera ottimale, comporta una deformazione plastica degli strati superficiali del materiale (Figura 1), con conseguente instaurarsi di un ritorno elastico negli strati immediatamente sottostanti e relativa nascita di tensioni residue di compressione sulla superficie (Figura 2). Nel caso di una lavorazione meccanica che asporti anche una minima parte della zona superficiale plasticizzata comporterà il rilascio delle tensioni elastiche immagazzinate negli strati sottostanti, con conseguente deformazione del materiale (Figura 3). Analogo effetto può avvenire durante un trattamento termico, quando la distensione annulla la deformazione plastica superficiale ma non le tensioni sottostanti, il cui rilascio comporta appunto la deformazione dell’elemento trattato. Nel caso di materiali fragili non è rara l’eventualità in cui in cui la deformazione rilasciata superi il limite di rottura del materiale arrivando alla rottura dell’elemento (Figura 4).

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