Medição de Tensão Residual em Ferramental

De onde vem a tensão em uma ferramenta

Qualquer processo de fabricação que altere a forma de um sólido, ou que envolva gradientes severos de temperatura, deixa tensão residual. Os processos de alteração de forma atuam por deformação plástica não uniforme, e incluem forjamento, laminação, trefilação e usinagem. Os processos térmicos atuam pelos gradientes que impõem, e incluem têmpera, fundição e soldagem. Um terceiro grupo impõe tensão por meio de uma mudança de fase localizada, e a têmpera martensítica é o exemplo que mais importa em uma ferramenta.

Um estampo acabado passou pela maioria desses processos. A barra foi forjada ou laminada, depois usinada, temperada e revenida, retificada e, muitas vezes, acabada por eletroerosão. Cada etapa deixa uma camada própria, e os campos resultantes não são uniformes: as tensões residuais de fabricação tipicamente apresentam gradientes de tensão em relação à distância muito acentuados próximos à superfície, onde a última operação que tocou a peça causou seu dano. Não é incomum que a tensão residual na superfície de uma peça usinada esteja próxima do limite de escoamento do material encruado a frio. Uma camada superficial rasa e altamente tensionada sob um núcleo compressivo ou trativo é exatamente a condição que produz uma trinca na aresta de trabalho de uma ferramenta, e é a razão pela qual o estado de tensão residual da superfície importa mais do que a média ao longo da seção.

A measured profile through a carburized case shows the shape the discussion above describes.

O que uma medição realmente mede

A tensão nunca é a grandeza medida, porque a tensão é aplicada a um metal e só pode ser observada no processo de ser aplicada. O que os métodos medem é a deformação elástica, seja a deformação produzida pela tensão residual que já está na peça, seja a mudança de deformação que ocorre quando parte ou toda essa tensão é aliviada. A tensão é então calculada a partir da deformação medida usando as constantes elásticas do metal. Essa distinção separa as duas famílias de ensaio: os métodos não destrutivos medem a resposta de deformação do material no local, enquanto os métodos destrutivos e semidestrutivos medem a mudança de deformação causada pela remoção de material.

A classificação publicada das técnicas abrange quatro famílias, e quase tudo o que se usa na prática está nos dois primeiros blocos: métodos de relaxação lidos com extensômetros, difração de raios X, métodos baseados em propriedades sensíveis à tensão, como velocidade ultrassônica, e métodos de trincamento. As tabelas abaixo apresentam a comparação prática e, em seguida, os métodos que consomem ou perturbam a peça.

Métodos de medição de tensão residual comparados. Compilado a partir do texto do artigo.

A perfuração de furo é o método mais frequentemente usado em uma peça que precisa sobreviver ao ensaio. Um furo raso é usinado na superfície, o que permite que o material tensionado que foi removido reajuste seus vizinhos em direção ao equilíbrio, e a mudança resultante na deformação superficial é captada por uma roseta de extensômetros. O método é padronizado como ASTM E837. A extração de anel faz o mesmo trabalho na direção oposta: um anel raso é fresado ao redor de um extensômetro, de modo que uma ilha de material quase livre de tensão fica isolada em seu interior. Ambos são quantitativos, e ambos geralmente podem ser reparados depois. Métodos do tipo indentação, no mesmo grupo, fornecem apenas informação qualitativa.

A remoção de camadas segue o caminho oposto e consome a peça, mas retorna o perfil ao longo da espessura em vez de um valor na superfície. Material é usinado de uma face de uma barra ou chapa, e a flexão ou a deformação desenvolvida pelas camadas remanescentes é medida, usando extensômetros de resistência elétrica ou, anteriormente, por medição mecânica sensível. A profundidade removida em cada etapa deve ser significativamente maior que a profundidade de deformação plástica causada pela própria usinagem, e grande o suficiente para produzir uma flexão mensurável, ou a operação de remoção contamina o resultado que tenta ler.

O seccionamento altera o que está sendo medido

Cortar um componente para acessar suas tensões alivia e introduz tensão ao mesmo tempo, de modo que uma seção removida de um todo não carrega mais o campo de tensão do todo. Reconstruir o campo original exige suposições sobre a natureza do campo, incluindo suas magnitudes e gradientes, e sobre se os gradientes podem ser tratados como unidimensionais, bidimensionais ou tridimensionais. Quanto maior o elemento retirado e mais acentuado o gradiente, menos quantitativo e mais qualitativo se torna o resultado. Quando uma seção é medida posteriormente por difração de raios X, a superfície plasticamente deformada deixada pelo corte precisa ser removida primeiro, normalmente por eletropolimento, ou a medição reporta o dano que o seccionamento causou em vez da tensão que estava na peça.

Difração de raios X e o problema de resolução

A difração de raios X mede a deformação da rede diretamente na peça, sem remover material, e instrumentos dedicados à medição de tensão podem ser levados até um componente em campo, que é como a tensão em um duto enterrado é verificada sem cortá-lo. A restrição prática é a resolução. Como os gradientes em uma peça fabricada são acentuados, o volume no qual uma medição resolve a tensão geralmente precisa ser da ordem de 1 mm ou menos; um volume de medição maior que isso faz a média da tensão e pode perder o pico completamente. Instrumentos de XRD dedicados, procedimentos de perfuração de furo e, em casos especiais, instrumentação ultrassônica podem atender a isso, e alguns instrumentos de XRD oferecem mapeamento automatizado de tensão em uma superfície.

A frequent source of confusion is that X-ray diffraction and hole drilling often return different numbers on the same part. The disagreement is nearly always about volume: the two methods do not sample the same region of a steep gradient. When hole drilling results were extrapolated to the surface they approached the values that XRD had measured at the surface. Neither number was wrong; they described different depths of the same field.

A microestrutura pode influenciar qualquer um desses métodos, e no aço ferramenta a composição de fases é a mais óbvia. Em uma estrutura mista, a tensão em uma fase não é a tensão na outra: as leituras abaixo vêm de um único cordão de solda, e a austenita e a ferrita discordam por um fator de dois a três na mesma distância da linha de fusão. Deformação plástica, tamanho de grão e textura cristalográfica são fontes adicionais de erro. O artigo é explícito que se essas características estão afetando uma medição deve ser avaliado por um especialista no método que está sendo usado.

Leituras de tensão residual obtidas nas duas fases de uma solda em tubo de aço inoxidável 316, à mesma distância da linha de fusão. Fonte, Tabela 2 de Residual Stress Measurements, ASM Handbook Volume 8.

Por que algumas poucas leituras geralmente não são suficientes

Como os campos de tensão são não uniformes e acentuados, algumas poucas medições em um ou dois componentes comumente produzem uma conclusão errada sobre o campo. Dezenas a centenas de medições, com resolução de cerca de um milímetro, podem ser necessárias para encontrar a localização e a magnitude da tensão residual máxima de tração. Duas situações alteram a aritmética. Onde a causa da tensão é compreendida, a distribuição frequentemente pode ser prevista a partir da literatura ou de modelagem, e um modelo do campo esperado indica ao investigador qual método usar e onde colocar as medições. Onde a causa não é evidente, não há atalho: o programa de medição tem de ser projetado sem conhecimento prévio, e o artigo recomenda consultar tanto a literatura quanto especialistas em medição de tensão residual antes de começar.

O que isso significa em um trabalho com aço ferramenta

Em uma falha de ferramenta, a primeira pergunta é qual processo colocou a tensão ali, porque isso decide tanto a medição quanto a correção. Uma trinca que se abre após retificação ou após eletroerosão aponta para a camada superficial que essas operações deixam; nossas páginas sobre a camada branca de EDM e em retificação de aço ferramenta cobrem o lado do processo. Uma ferramenta que se move durante o usinamento final, ou que muda de dimensões após a têmpera, é um problema em toda a espessura, e a remoção de camadas em um corpo de prova da mesma barra é o método que responde a isso. Um molde que trinca em serviço tem tanto um histórico de tensões quanto uma carga de serviço, e separá-los exige também a tensão de serviço.

Duas regras práticas decorrem para quem compra ou fornece aço ferramenta. Uma única leitura de tensão em uma peça não é evidência de um campo; pergunte, em vez disso, quantas medições foram feitas, onde e por qual método. E uma medição de tensão só é útil em relação a um modelo de onde a tensão veio, portanto o histórico de processos da peça pertence junto com os números. O comportamento de distorção após a têmpera é discutido mais adiante em distorção de aço ferramenta, e trincamento durante a têmpera em trincas por têmpera.

Fonte: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Artigo Residual Stress Measurements de Clayton O. Ruud, The Pennsylvania State University (PDF p2071-2118).