Che cos'è lo stress da trattamento termico
Lo stress da trattamento termico è lo stress interno che rimane in un componente di acciaio dopo il completamento di un ciclo di riscaldamento e raffreddamento. Viene generato ogni volta che parti diverse della stessa sezione attraversano il ciclo termico a velocità diverse o si trasformano in tempi diversi, e viene bloccato nel materiale una volta che il componente si è raffreddato a temperatura ambiente.
Lo stress non è automaticamente dannoso. Quando è controllato e disposto in modo che lo strato superficiale sopporti la compressione, aumenta la resistenza alla fatica e la durata. Quando non è controllato, si aggiunge allo stress prodotto dalla pressione, dalla flessione e dai cicli termici e può spingere un componente oltre il suo limite di snervamento o, nel peggiore dei casi, oltre la sua resistenza alla trazione.
Stress termico e stress di trasformazione
Durante il riscaldamento e il raffreddamento, la superficie e il nucleo di un tubo non cambiano temperatura alla stessa velocità. La differenza di temperatura risultante produce espansione e contrazione disuguali, e quindi stress. Mentre il tubo si raffredda, la superficie è inizialmente più fredda del nucleo e cerca di contrarsi più di quanto consentito dal nucleo, quindi il nucleo viene messo in tensione e la superficie viene spinta in compressione. Quando il raffreddamento è quasi completo la situazione si inverte, perché il nucleo deve finalmente contrarsi contro una superficie già rigida, per cui il nucleo finisce in tensione e la superficie in compressione. Questo componente è chiamato stress termico.
La seconda componente è lo stress di trasformazione, che appare solo negli acciai che induriscono. Quando lo strato superficiale si trasforma in martensite prima che lo faccia il nucleo, la superficie si espande mentre il nucleo è ancora austenitico e relativamente morbido, e il nucleo viene allungato plasticamente in tensione. Dopo che il nucleo si è trasformato a sua volta, non può espandersi liberamente perché la superficie è già dura, quindi rimane uno schema di stress autobilanciante: superficie dura in compressione, nucleo in tensione.
La grandezza di entrambi i componenti aumenta con la velocità di raffreddamento, con il contenuto di carbonio e con il contenuto di leghe. Un raffreddamento più rapido, una maggiore temprabilità e sezioni di parete più pesanti aumentano la deformazione plastica prodotta durante il ciclo e quindi aumentano lo stress residuo lasciato nel tubo finito.
Conseguenze per tubi, tubazioni e raccordi
Deformazione: quando la tensione residua supera localmente il carico di snervamento, il tubo si piega, si ovalizza o perde rettilineità, e non può essere riportato in tolleranza mediante la normale raddrizzatura.
Fessurazione: quando la combinazione di sollecitazione residua e applicata supera la resistenza a trazione, o quando una struttura dura è esposta all'idrogeno, la fessurazione inizia in superficie o ad una concentrazione di sollecitazione come un piede di saldatura.
Perdita di stabilità dimensionale dopo la lavorazione: lo stress interno si ridistribuisce quando il materiale viene rimosso durante la filettatura o la lavorazione, quindi il componente si sposta dopo il taglio finale.
Ridotta resistenza alla fatica e alla tensocorrosione: lo stress residuo di trazione sulla superficie riduce la durata a fatica e abbassa la soglia per la fessurazione da tensocorrosione, mentre lo stress di compressione ha l'effetto opposto.
Dispersione nei risultati dei test meccanici: una lunghezza con uno stato di sollecitazione non uniforme può mostrare resistenza allo snervamento e durezza incoerenti lungo la sua lunghezza.
Ridurre e alleviare lo stress
La prima misura è la progettazione del processo piuttosto che la correzione. Il riscaldamento uniforme in un forno ben-controllato, un raffreddamento controllato con distribuzione uniforme dello spruzzo e un ritardo definito tra raffreddamento e rinvenimento riducono lo stress di picco che deve essere affrontato in seguito. Il raffreddamento lento e simmetrico dopo il rinvenimento evita di aggiungere un nuovo modello di stress termico sopra quello esistente.
La seconda misura è la riduzione dello stress. Il rinvenimento a una temperatura adeguata, inferiore alla temperatura critica inferiore, consente all'acciaio di rilassare le tensioni residue adeguando la resistenza al livello richiesto; laddove la stabilità dimensionale è fondamentale, viene applicata una ricottura di distensione dedicata-. La distensione è una fase standard per tubi e raccordi saldati e la temperatura e il tempo devono essere selezionati per il grado effettivo in conformità con il codice di costruzione in vigore, come ASME B31.3.
Laddove lo stress superficiale di compressione è vantaggioso, può essere introdotto deliberatamente. La pallinatura, la laminazione superficiale controllata e, in alcuni casi, l'indurimento superficiale vengono utilizzati per posizionare lo strato esterno di un componente in compressione, motivo per cui l'influenza di uno strato superficiale compressivo ben-progettato sulla durata a fatica ha attirato così tanta attenzione nella produzione di tubi e raccordi.
Punti di misurazione e ispezione
| Metodo | Scopo |
|---|---|
| Diffrazione dei raggi X- | Misura diretta delle tensioni residue superficiali; l'allineamento dello strumento è verificato in conformità con ASTM E915 |
| Estensimetro per perforazione di fori- | Misurazione della distribuzione delle sollecitazioni con profondità secondo ASTM E837 |
| Indagine sulla durezza | Controllo indiretto sulla risposta di raffreddamento e rinvenimento lungo la lunghezza e attorno alla circonferenza |
| Controllo dimensionale dopo la lavorazione | Conferma che lo stress è stato alleviato abbastanza da consentire al componente di rimanere stabile |
| Ispezione magnetoscopica e ultrasonica | Rilevazione di cricche da raffreddamento e di cricche da idrogeno-indotte nelle saldature e nei cambi di sezione |
Poiché lo stress residuo non è visibile, il ciclo di controllo pratico è costituito dalla documentazione del processo e dalla verifica periodica. La registrazione dei grafici del forno, dei parametri di tempra, dei cicli di rinvenimento e dei registri di raddrizzatura rispetto al numero di colata consente di tracciare una deviazione prima che diventi un lotto rifiutato.
Domande frequenti
D: Lo stress residuo è sempre dannoso?
No. Uno stress residuo di compressione sulla superficie migliora la resistenza alla fatica e la resistenza alla tensocorrosione. Il problema è lo stress da trazione incontrollato, o un modello di stress che si aggiunge al carico di servizio.
D: Qual è la differenza tra stress termico e stress di trasformazione?
Lo stress termico deriva dalle differenze di temperatura tra la superficie e il nucleo, che causano una contrazione disuguale. Lo stress da trasformazione deriva dalla variazione di volume quando l'austenite si trasforma in martensite o bainite in tempi diversi nelle diverse parti della sezione.
D: Quali qualità di tubi sono maggiormente a rischio di fessurazioni da raffreddamento?
Qualità a più alto contenuto di carbonio e leghe più elevate con buona temprabilità, in particolare con spessori di parete elevati, poiché possono formare martensite dura con elevato stress residuo e sono più sensibili all'idrogeno.
D: Come viene ridotto lo stress da trattamento termico nella produzione?
Attraverso un riscaldamento uniforme, una tempra uniforme e controllata, un rinvenimento immediato, un raffreddamento controllato dopo il rinvenimento e, dove richiesto, una ricottura di distensione dedicata-. La raddrizzatura viene effettuata dopo il rinvenimento anziché prima.
D: È possibile misurare la tensione residua su un tubo finito?
SÌ. La diffrazione dei raggi X-e il metodo dell'estensimetro da perforazione-sono le tecniche abituali ed entrambi vengono eseguiti in conformità con i metodi di test pubblicati in modo che i risultati siano comparabili tra fornitori e laboratori.
D: Perché a volte un tubo si piega dopo la filettatura?
Poiché la lavorazione rimuove materiale e consente la ridistribuzione dello schema di sollecitazione interno, una lunghezza che sembrava diritta può deviarsi. Il rimedio standard è un'adeguata distensione prima della lavorazione.
