Il rischio del danneggiamento a fatica nei trattamenti VSR

Tra i diversi trattamenti utilizzabili per il rilassamento delle tensioni residue, i Vibration Stress Relief (VSR) occupano un posto particolare. Essi possono in effetti rivelarsi efficaci ed efficienti, ma solo se e quando la loro esecuzione viene accuratamente progettata. Un’apparente semplicità esecutiva troppo spesso li ha portati ad essere applicati “a caso”, con conseguente mancanza di risultati o, addirittura, con danni irreversibili al componente sotto trattamento.

Breve richiamo ai trattamenti VSR

Nel numero scorso abbiamo introdotto i trattamenti VSR, acronimo di Vibration Stress Relief (VSR), definendoli come quei trattamenti meccanici finalizzati ad abbattere gli stati tensionali in un materiale mediante deformazioni superiori al limite di plasticizzazione, deformazioni indotte da cicli ripetuti di sollecitazione meccanica. In pratica una soluzione alternativa ai tradizionali trattamenti termici di distensione, una soluzione che ha i suoi vantaggi e ovviamente i suoi svantaggi.

Il vantaggio dei trattamenti VSR è quello di permettere, quando l’applicazione sia accuratamente progettata, l’abbattimento delle tensioni residue in maniera rapida, efficace e a un costo energetico praticamente trascurabile.

D’altro canto, un’inevitabile controindicazione è che comunque mettere in vibrazione il componente a deformazioni superiori o prossime al limite di snervamento significa sottoporre il materiale a cicli di fatica, e questo come inevitabile effetto collaterale intrinseco del trattamento, e non un rischio in caso di trattamento eseguito in maniera non ottimale (anche se ovviamente un trattamento eseguito in maniera non corretta è molto più efficace nel danneggiare il materiale).

Un altro potenziale inconveniente consiste nell’effetto di plasticizzazione proporzionale alla deformazione indotta dalla vibrazione, e poiché l’analisi modale ci insegna che in ogni modo di vibrazione la deformazione non è mai omogenea su tutto il componente, ecco quindi che la scelta e la messa a punto di un trattamento VSR deve essere fatta considerando l’effetto differenziato che questo ha sulle diverse zone del componente: trascurare di ottimizzare il punto di applicazione, l’intensità e la frequenza della sollecitazione, nonché i vincoli del componente porta come risultato più probabile quello di riuscire solo a danneggiare il componente sotto trattamento.

Come esempio, consideriamo ancora una volta il caso di una trave circolare di sezione piena, incastrata a sbalzo e fatta vibrare nel suo primo modo di vibrazione mediante una sollecitazione applicata alla sua estremità libera (Figura 1).

 

Sempre in Figura 1 è riportato il grafico qualitativo del momento flettente presente sulla trave a seguito della oscillazione indotta, un momento flettente che varia linearmente dal valore massimo in corrispondenza dell’incastro fino ad annullarsi in corrispondenza della estremità libera.

Per quanto esemplificativo, un caso di questo genere rappresenta anche un tipico campo applicativo: pensiamo ad esempio ad una aletta avente il cordone di saldatura localizzato in prossimità dell’incastro (Figura 2), e l’effetto ricercato sia quello di abbattere proprio le tensioni residue della saldatura. Affinchè il trattamento VSR ottenga l’effetto desiderato, è necessario che la deformazione da esso indotta superi, nella zona del cordone di saldatura, il limite dello snervamento del materiale.

Consideriamo il caso in cui il materiale utilizzato sia un comune acciaio da costruzione come lo S 450, quindi con un limite di snervamento pari 440 Mpa e un limite di rottura pari a 550 Mpa, e la tensione residua indotta dal processo di saldatura presenti un picco di 150 MPa e una distribuzione in funzione dalla distanza dall’incastro come da Figura 3.

In questa situazione l’obbiettivo del trattamento VSR deve essere quello di portare la zona tensionata ad un livello di deformazione tale da superare il limite di snervamento ma ovviamente senza superare il limite di rottura, e pertanto la sollecitazione applicata deve arrivare a generare nella zona del picco di tensione residua una sollecitazione pari ad almeno:

Limite di snervamento – tensione residua = 440 – 150 = 290 MPa

Ma senza superare:

Limite di rottura – tensione residua = 550 – 150 = 400 MPa

Come evidenziato dal grafico di Figura 4, tale risultato può essere ottenuto applicando una oscillazione in grado di indurre una sollecitazione di 420 Mpa all’incastro, che si riducono appunto a 400 Mpa alla distanza di 30mm corrispondente alla localizzazione del picco di tensione residua.

Sempre dal grafico di Figura 4 è possibile apprezzare quella che sarà la zona deformata plasticamente al termine del trattamento, zona in cui il richiamo elastico delle zone adiacenti a quelle deformate plasticamente in trazione comporta l’instaurarsi di benefici stati tensionali di compressione come da Figura 5.

Un’altra interessante considerazione nasce però dall’osservazione del grafico di Figura 6, in cui è rappresentato anche il cosiddetto limite di fatica, ossia il limite di sollecitazione sopra il quale il materiale inizia a soffrire dell’accumulo di danneggiamento a fatica, limite che nel caso dei materiali ferrosi sottoposti a sollecitazioni flessionali è considerato pari al 60% del limite di snervamento, ossia:

Limite di fatica = 0,6* limite di rottura = 330 MPa

Da tale grafico è evidente come, stante la legge di variazione lineare della sollecitazione indotta dalla vibrazione in funzione della distanza dall’incastro, l’aver indotto una sollecitazione superiore al limite dello snervamento nella zona critica del componente ha comportato che nelle zone adiacenti si sia superato il limite di fatica del materiale, e di conseguenza si sia indotto un potenziale danneggiamento nello stesso.

In tali condizioni, se da un lato la zona inizialmente soggetta a tensioni residue di trazione ha indubbiamente beneficiato di un loro rilassamento, è altrettanto innegabile che altre zone del componente finiscano per essere sollecitate oltre il limite di fatica, subendone quindi un danneggiamento.

Ecco quindi un primo punto critico che non è possibile trascurare quando si decide di ricorrere al un trattamento VSR: al benefico effetto di un rilassamento delle tensioni residue in alcune zone si contrapporrà sempre un danneggiamento a fatica in altre.

E si badi bene che il caso appena descritto non è riferito a un’esecuzione scorretta del trattamento VSR, ma è un’inevitabile conseguenza delle sue modalità esecutive anche quando siano state correttamente pianificate.

 

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Source: Stampi
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