1. Tensiuni remanente. Fenomen i cauzalitate. Clasificare n atenia prelucrtorilor mecanici st mbuntirea continu a caracteristicilor mecanice ale produselor metalice, deoarece de acestea sunt legate n mod nemijlocit gabaritul, masa specific i fiabilitatea produsului. Caracteristicile mecanice au dou componente fundamentale: rezistena funcional i stabilitatea dimensional n timp, cele dou componente intercondiionndu-se reciproc. Rezistena funcional esteasiguratderespectarea dectrematerialul piesei aunor restricii impuse de legea lui Hooke; stabilitatea dimensional fiind asigurat de rezistena la uzur i stareatensiunilor rezidualeinstabile. Acestetensiuni rezidualeinstabileduclafisurri i la modificri dimensionale ale pieselor. Problema care se pune este de a nltura tensiunile interne instabile ntr-o msur ct mai mare, fr a afecta starea tensional rezidual stabil.Tensiunile remanente reprezint acele tensiuni care exist ntr-un corp (pies) atunci cnd acestanuestesupus nici unei foreexterioare. Elemai sunt cunoscutei subdenumireade tensiuni reziduale, internesaupermanente. Noiuneadetensiuneinternnuesterecomandat pentru utilizare, deoarece aceast denumire nu face deosebirea ntre tensiunile produse de sarcinile exterioare aplicate i tensiunile existente nlipsaacestora. ndefinitiv, toate tensiunile sunt interne. Din acest motiv se va utiliza denumirea de tensiune remanent. Se studiaz ca exemplu o tabl din oel laminat n condiii n care curgerea plastic s apar numai la suprafaa acesteia (figura 1, a). La suprafata tablei, fibrele deformate la rece tind s se lungeasc, n timp ce n zona central a tablei fibrele rmn nemodificate. Fibrele de la centrul tablei i cele de la suprafa se vor influena reciproc: cele centrale tind s mpiedice alungirea fibrelor de la suprafa n timp ce acestea caut s ntind fibrele centrale. Rezultatul acestor influenereciprocednaterelatensiuni remanentedecompresiune ridicate pe suprafaa tablei i tensiuni remanente dentindere n centrul tablei (figura 1, b).1Fig. 1. Distributia tensiunilor interne longitudinale00Compres. ntinde.ba Sistemul de fore produs de ctre tensiunile remanente trebuie s fie n echilibru static, adic fora total care acioneaz, asupra unui plan oarecare din corp i momentul total trebuie s fie nule. Aceasta nseamn c suprafaa de sub poriunea curb ce reprezint variaia tensiunilor de compresiune, trebuie s fie egal cu suprafaa de deasupra poriunii curbei ce reprezint variaia tensiunilor remanente de ntindere.Situaiaestemai complicatntrucat, nrealitate, stareadetensiuni remanentedintr-un punct oarecare este o stare spaial. Uneori datorit simetriei, se ia n consideraie numai tensiunileremanenteceacioneazpeosingurdirecie. Unexempluclasicdemodificarea volumului datorit tensiunilor interne l constituie rcirea unui lingou, de dimensiuni mari, dintr-un metal care nu prezint modificri de faz. Diferenele de temperatur care exist ntre suprafaa i centrul lingoului sunt suficiente pentru a da natere unor tensiuni remanente. ntrucat colurile se rcesc mai repede dect centrul contracia termic aprut produce un dezechilibru al deformaiilor ntre ele i centrul lingoului.Acest dezechilibru conduce la apariia unor tensiuni longitudinale(figura 2, b). Zona central nu poate suporta tensiunile de compresiune impuse i se contract pentru a reduce o parte din aceste tensiuni (figura 2, c). La rcirea complet a lingoului, contracia total va fi mai mare n mijloc dect n zona marginilor, deoarece n aceast zon contracia se datoreaz atat rcirii ct i deformaiei plastice (figura2, d). nzonamuchiilor avemtensiuni remanentedecompresiunentimpcenzona central tensiunile sunt de ntindere. Tensiunile remanente trebuie considerate numai ca tensiuni elastice. Valoareamaximpecareopoateatingetensiunearemanentesteegalculimitade elasticitateamaterialului. Otensiunecarear depi limitadeelasticitatefraexistafore exterioare care s i se opun, ar fi preluat de deformaia plastic a materialului, pn va atinge valoarea limitei de curgere.2bcdaFig. 2. Dezvoltarea tensiunilor interne in timpul rcirii unui lingoun principiu tensiunile interne se clasific n:- macrotensiuni interne ;- microtensiuni interne ;- tensiuni de reacie.Macrotensiunile interne variaz continuu n tot volumul corpului i acioneaz asupra unor zone de dimensiuni mari n raport cu dimensiunile atomice.Microtensiunile interne acioneaz asupraunor zonecuordinul demrime acatorva celule, dei efectul lor se poate extinde chiar pe mai mult de un grunte. Ele variaz mult de la un grunte la altul, datorit anizotropiei cristalelor. Un exemplu de microtensiuni interne l constituie precipitarea particulelor de faz secundar dintr-o soluie solid. Dac particulele de faz secundar au o densitate mai mic dect masa de baz, atunci fiecare particul cutnd s ocupe un volum mai mare, este comprimat de masa de baz. Fenomenul conduce la dezvoltarea unor tensiuni de ntindere n masa de baz, pe direcia radial i circumferenial fa de particulele de faz secundar.Determinarea experimental a microtensiunilor interne n sistem cu dou faze este foarte greu de realizat, dei valorile lor medii au fost determinate cu raze X.Tensiunile remanente de reacie apar n piesele asamblate, n special n construcii sudate. Datoritinteraciunii ntrepieselececompununansamblu, diferite pri aleacestuiapot fi tensionate dei construcia nu este supus unei sarcini exterioare. Att sudura electric prin puncte ct isudareacaplacapproductensiuni mari dentinderencentrul suprafeei deaplicarea cldurii.Prelucrareacualice, ciocnireasuprafeei i roluireasuprafeei producstri planede tensiuni remanente de compresiune n zona suprafeei, care sunt echilibrate de ctre strile plane detensiunedentindereceaparninterior. Acopeririledure(cromare, nichelare)potproduce tensiuni remanente fie de ntindere fie de compresiune, n funcie de condiiile de desfurare al procesului de acoperire.Suprapunerea mai multor operaii bazate pe deformare nu produce, n final, o distribuie de tensiuni remanente care s fie suma algebric a distribuiei de tensiuni produs n cadrul fiecrei operaii.Practicprocesul dedeformareestenfinal, cel caredeterminspectrul rezultant de tensiuni remanente.Dup alt criteriu, tensiunile remanente sunt:3 tensiunitermice, datedeodilatare sau o contracie neuniform,ca urmare a diferenelor de temperatur pe seciune sau n volum; tensiuni structurale, date de modificri de volum specific din timpul nclzirii i rcirii; tensiuni de lucru, date de aciunea mecanic a diferitelor procedee de prelucrare mecanic.Tensiunileremanentesunt asociatecudeformaii elasticecorespunztoarepedireciile, planeleivolumelencareeleacioneaz,i se echilibreaz reciproc. De altfel,msurarea lor directnuesteposibil, evaluarealorfcndu-seprinmsurareadeformaiilor elasticecarele nsoesc sau care se produc dup ndeprtarea unei poriuni de material, respectiv dup dezechilibrarea sistemului iniial. n general, tensiunea rezidual este definit ca o ntindere sau compresiune ce ia natere nmasa de material fr ca, din exterior, s fie aplicat o sarcin, deplasare sau gradient termic. n funcie de natura volumului n care acioneaz, tensiunile remanente se mpart n: Tensiuni de ordinul I, sau macroscopice care acioneaz n volumul total al structurii metalice sau pe poriuni mari; de exemplu tensiunile termice, tensiunile mecanice remanente dup deformare, tensiunilestructuralelarcireetc. Oriceinterveniedinafarasupratensiunilorde ordinul I are ca efect modificarea dimensiunilor macroscopice ale corpurilor; Tensiunile de ordinul II, sau microscopice care acioneaz la scara structurii microscopice(lanivelul grunilorcristalini). naceastclassencadreaztensiuniletermice instauratenaliajebifazicelalimitadeseparaientrefazecucoeficieni dedilatarediferii; tensiuniledelucruindusenmaterialepolicristalinedeformateplasticlarece, lacaregrunii cristalini prezint anizotropia limitei decurgere. Intervenia exterioar asupra tensiunilor de ordinul II are de asemenea ca efect modificarea dimensiunilor macroscopice ale pieselor; Tensiunile de ordinul III, sau reticulare sunt asociate imperfeciunilor de cristalinitate ale structurii reticulare fine (vacane/goluri, atomi interstiiali i de substituie, dislocaii, blocuri n mozaic i dezorientarea lor, etc.), care produc distorsionri ale reelei ideale pe distane mici, n interiorul volumului unui grunte cristalin. Modificarea echilibrului tensiunilor interne de ordinul III, prin cauze exterioare, nu provoac modificri dimensionale msurabile macroscopic.Avnd n vedere c tensiunile reziduale sunt asociate deformaiilor elastice, rezult c ele sunt inferioare tensiunilor critice de alunecare n cazul tensiunilor de ordinul III, sau a limitei de curgere i de fluaj n cazul tensiunilor de ordinul I i II.4 Cteva exemple de macrotensiuni (sau tensiuni de primul tip),respectiv tensiuni de tipul II (referitor la o granul singular) i tensiuni de tipul III (la nivel submicroscopic),sunt redate n figura 3.Fig. 3. Evaluarea macro i micro-tensiunilorrezidualeCunoaterea existenei i a valorilor tensiunilor remanente este important pentru:- evaluarea i argumentarea duratei de via a pieselor supuse fenomenului de oboseal- evitarea deformrii pieselor n urma proceselor de prelucrare mecanic (uzinaj)- evaluarea rezistenei la coroziune- asumarea stabilitii dimensionale- limitarea (evitarea) apariiei fisurilor.Tensiunile remanente se datoreaz n principal:- gradientului de temperatur din interiorul piesei- mpiedecarea dilatrii termice ntre dou materiale diferite asamblate- schimbrilor de faz din structura materialului n urma diferitelor procese- deformarea plastic datorat prelucrrilor mecanice5- fixrii, strngerii (asamblrii) pieselor.Urmtoarele procedee de realizare a unei piese sunt generatoare de tensiuni remanente:- topirea i turnarea n form- tratamentele de suprafa:- chimice- mecanice (lovirea etc.)- forjarea pieselor- prelucrrile mecanice- laminarea- tratamentele termice- procesul de sudare n general, procesele de prelucrare i tratamentele termice conduc la apariia tensiunilor reziduale: procese deprelucrare primar (turnare, forjare, etc. ), procesele de prelucrare cu ndeprtare de material (achiere, electroeroziune etc.), lipire, sudare, tratamente de suprafa prin lovire cu bile, ocuri cu laser, tratamente termice, termochimice, acoperiri. Sconsidermunelement derezistenncareexisttensiuni remanantedentindere. Dac elementul este solicitat de ctre un sistem de sarcini exterioare care induc tensiuni tot de ntindere, atunci tensiunearezultantseobineprinnsumareacelor dou, rezultndovaloare sporit a tensiunii, valoare care poate conduce la ruperea elementului respectiv. Dac, n schimb, tensiunea produs de sarcinile exterioare este de compresiune, tensiunea rezultant este mai mic dect cea dat de sarcinile exterioare (cele dou tensiuni se scad), diminundu-se astfel pericolul unei ruperi. De asemenea, tensiunile termice pot fi utilizate pentru micorarea tensiunilor produse prin clirea materialului. Deoarece tensiunile remanente apar datorit unor gradieni de temperatur, produi atunci cnd piesa este clit, este posibil s se introduc tensiuni remanente de semn opus, supunnd piesa rece unei nclziri foarte rapide. Aceast metod permite reducerea cu pn la 80% a tensiunilor de clire n aliaje pe baz de aluminiu, prin nclzire la temperaturi suficient de joase pentru a mpiedeca nmuierea. Tensiunile remanante constituie o cauz principal a ruperilor fragile. Prezena tensiunilor remanente dup turnare, sudare sau prelucrri mecanice, este nedorit deoarece produc modificri ale dimensiunilor pieselor (n special batiuri de maini unelte) dup un 6timp foarte mare (de ordinul anilor) determinnd scoaterea lor din parametrii de precizie la care au fost proiectate.Pentru a msura tensiunile remanente se folosesc metode distructive mecanice sau nedistructive. Msurarea distructiva mecanic se bazeaz pe tierea piesei i analiza rupturii; msurarea nedistructiv utilizeaz fascicole rntgen, ultrasunete, timbre tensometrice sau metode magneto-elastice.Pentru ca ntr-un corp s apar tensiuni remanente trebuie ca acesta s sufere deformaii plastice, sfiesolicitat pestelimitadecurgere(c)amaterialului dincareesteconfecionat. Tensiunileremanentecaresunt produsedectreodeformaieneomogensunt desensopus deformaiei plastice care a dat natere tensiunii remanente.Este cunoscut faptul c un material solicitat sub limita de elasticitate (e), dup nlturarea solicitrii i recapt forma i dimensiunile avute nainte de solicitare. O astfel de stare nu induce tensiuni remanante. Dac solicitarea se produce peste limita de curgere ( >c), dup descrcare materialul nu-i mai recapt forma i dimensiunile iniiale, el rmnnd cu o deformaie plastic permanent, remanent (p).Deformaia total (t) corespunztoare acelei solicitri este alctuit din dou componente: una elastic (e) i una plastic (p): t = e + p 7Prezena deformaiei plastice dup nlturarea solicitrii, induce n pies o tensiune remanent. Tensiunile remanente trebuie considerate numai ca tensiuni elastice. Valoarea maxim pe care o poate atinge tensiunea remanent este egal cu limita de elasticitate (e) a materialului. O tensiune care ar depi aceast valoare, fr s existe fore exterioare care s i se opun ar fi preluat de deformaia plastic a materialului, pn ce va atinge valoarea limitei de curgere (c).Tensiunile remanente, n general au un efect duntor asupra elementelor de rezisten, a pieselor i structurilor etc. Sunt cazuri cnd acestea au un efect benefic, de diminuare a tensiunilor produse de sarcinile exterioare aplicate acestora. 2. Efectul tensiunilor internen general tensiunile reziduale au efect pozitiv asupra rezistenei la oboseal i coroziune, deoarece acestea ntrzie apariia fisurilor i propagarea lor, dar au i efect negativ deoarece reduc proprietile mecanice i performanele materialelor.Pentrumaterialeledeformabile, tensiunilerezidualepot accelerasauntrzianceputul deformrii plastice; deaceea efectul asupra ruperii statice ductile este adesea mic deoarece deformaiile sunt mici i neimportante.Tensiunile reziduale pot crete sau scdea i este posibil s se cuantifice efectul lor asupra durabilitii folosind relaiile lui Gerber i Goodman. De aici se poate constata c, deoarece tensiunea rezidual de ntindere crete, tensiunea medie, amplitudinea tensiunii trebuie redus n 8condiiile n care durabilitatea nu este afectat. La o valoare mare a valorii medii, tensiunea rezidual de ntindere poate adesea declana ruperea de oboseal. Suprafeele libere sunt locul n care se poate iniia o fisur datorit oboselii. Asupra pieselor, se poate afirma c tensiunile reziduale pot avea urmtoarele efecte:a.Efecte mecaniceTensiunile interne pot conduce la deformarea pieselor i a instabilitii dimensionale. Se consider cazul unei bare de oel tras la rece n care se execut caneluri: dac o parte din bar ce coninetensiuni interneestendeprtatprinprelucrare, seelimindeasemeneai tensiunile interne care au existat n materialul ndeprtat. n urma acestei operaii echilibrul static al forelor i momentelor interne se rupe, astfel c pentru a stabili o nou condiie de echilibru, corpul se distorsioneaz.Acestedeformri sunt foarte suprtoare atunci cndprelucrarea ulterioar a pieselor cere o precizie ridicat, aa cum sunt sculele i filierele.b. Efecte tehnologiceTensiunileinternepot influenacomportareamaterialului fadesarcinileaplicatedin exterior. Studiatcuatenie, influenalorsepoatefolosi laprocesetehnologicecomplexe. Se cunoaste autofretajulcare const n deformarea intenionat a materialului din zona interioar a cilindrilor cu perei groi peste limita de elasticitate a materialului, n aa fel nct n aceast zon se induc tensiuni interne de compresiune, cnd cilindrul este nencrcat. La solicitrile externe, tensiunile interne de compresiune vor face s creasc limita de curgere, deci se mreste rezistena cilindrilor. Tehnologia se aplic la execuia evilor de tun precum i a vaselor de presiune.c. Efecte n exploatareLaformareafisurilor datoritcoroziunii subsarcin, unrol important l autensiunile interne alturi de sarcinile exterioare. Exemple de combinaii care produc fisuri datorit coroziunii sub sarcin sunt compuii amoniacului cu alama, a clorurilor cu oelurile austenitice inoxidabile i 9a unor aliaje de aluminiu susceptibile la mbtranire. n toate aceste cazuri, trebuie luate msuri pentru reducerea la minim a tensiunilor interne.3. Studiul apariiei tensiunilor interneNoiunea de tensiune intern, n accepiunea general, reprezint tensiunea existent ntr-uncorpmaterial, frocauzexternvizibil, altfel spus, nabsenaunor foreexterioare seciunii de deformare produse asupra unui corp de ctre un sistem de fore, i se opune aciunea forelor interioare de rezisten, care sunt de fapt tensiunile de reacie. Dac fora exterioar F este distribuit uniform pe suprafaa S, tensiunea p se definete prin relaia S F p / . n cazul general tensiunea p nu este constant, astfel c cea real va fi: SFpr lim , cnd0 > S10Tensiunile se pot evidenia printr-o component normal i o component coninut n plan , numit component tangenial. sinSF i cos SF, unde unghiul este cel format dintre fora F i normala pe planul S.Oclasificare sumar a tensiunilor are n vedere: locaia acestora la nivelul reelei cristaline,respectiv microstructurii,natura efectului sub care se genereaz ca: mecanic,termic, structural; caracterul lor, adictensiuni neindusei tensiuni induseintenionat; operaiilede prelucrare i fluxultehnologic; mrimea tensiunilor, care poate fi acceptat pn la limita elastic a corpului metalic solicitat, etc.n funcie de locaia care se manifest, tensiunile se mpart n patru categorii:- tensiuni de ordinul 1, macroscopice care cuprind zone extinse de ordinul moleculelor i mai mari, uneori ntreaga pies, fcnd abstracie de structura materialului, considerat a fi amorf i izotrop;-tensiuniledeordinul2 datorate anizotropiei elastice ale reelei cristaline ntre pri cu orientri diferite;- tensiunile de ordin 3 i 4 la nivelul reelei cristaline, n volume mici de ordinul dislocaiilor, ntre cristale i n interiorul cristalelor, respectiv ntre atomi i la scar subatomic.Eliminarea parial a tensiunilor de ordin 2, 3 i 4 pentru continuarea fluxului tehnologic de prelucrare fr pierderi, se face prin detensionare, operaiune foarte diversificat care poate fi realizat natural; termic; prin energii neconvenionale, etc. Tensiunile de ordin 1 nu pot fi eliminate prin detensionare.Cauzele principale care produc tensiunile interne pot fi grupate astfel:- tensiuni interne aprute n piese care au suferit rciri inegale n seciuni, n urma unor procese tehnologice de turnare; deformare plastic; sudare; tratamente termice;- tensiuni remanente, care provin n piese confecionate din materiale cu plasticitate diferit, dup ceaufost supuseunor solicitri elasto-plastice, deexemplu: baresolicitatelancovoieresau torsiune; tuburi i discuri; bandaje i role fretate, etc.11-concentratori detensiunedatorittrecerii dintreseciuni diferite; unghiuri i muchiiascuite; inscripii cu muchii ascuite; racordri necorespunztoare;- tensiuni termice care au drept cauz variaii de temperaturi la nclzire i rcire; viteze diferite la nclzire i rcire; coeficieni de dilatare diferii; sisteme de dilatare mpiedicate, etc.- tensiuni produse la montaj i sisteme static nedeterminate.Prezena tensiunilor de ntindere duce la efecte nefavorabile de amplificare a efectului de oboseal, n timp ce tensiunile de compresiune sunt favorabile icombat efectul de oboseal.nmare parte, tensiunile sunt rezultatul construciei pieselor, ca dimensiuni i forme i ale proceselor tehnologice de prelucrare, adic se produc neintenionat, pentru eliminarea crora se folosesc n finalul fluxului de prelucrare, operaiuni de eliminare prin detensionare.Existi multesituaii ncare, tensiuniledeoanumitnatur, respectivcelede compresiune, utilerezistenei laoboseal, sunt induseintenionat prinoperaiuni specificede tratamente termice sau termochimice, cazul roilor i bandajelor pentru locomotive i vagoane, caresuferpentruinducereaacestor tensiuni ooperaiefinaldetratament termicdeclire superficial, urmat de revenire nalt, sau cazul general al organelor de maini care prin tratamente de mbuntire sau termochimice rmn n suprafaa activ cu tensiuni de compresiune utile, cazul arborilor; roilor de angrenaj; sculele de achiat, etc.3.1. Tensiuni la nivelul reelei cristalineLa nivelul reelei cristaline, cristalele au numeroase abateri de la structura lor ideal, prin deplasri aleatomilor dinpoziiiledeechilibru, cumodifcri aledistanei dintreatomi i n distribuia sarcinilor electrice. Astfel de abateri de la structura perfect a unui cristal se numesc imperfeciuni sau defecte de structur, iar cristalele lor sunt cristale reale.Defectele de structur la nivelul reelei cristaline influeneaz negativ proprietile fizico-mecanice ale corpurilor. Cristalele ideale, care nu prezint astfel de imperfeciuni, nu se ntlnesc n practica industrial, ele se obin prin tehnici de preparare speciale neconvenionale. Pe de alt parte defectele reelei cristaline pot fi statice sau dinamice.Defectele statice produc deplasri ale atomilor, care n lipsa unor temperaturi ridicate de difuzie, se menin ndelungat i produc distrugeri n vecintate, cu modificarea distanei interatomice. Se mpart n defecte punctiforme cu locaie spaial, liniare i de suprafa.12Defectele dinamice se manifest printr-o permanent vibraie termic n jurul atomilor sub forma undelorelastice. Vibraiiletermicese cuantific prin cuanta de energie hw numit fonon. n procesul propagrii acestoradinexterior ctreinterior seciocnesci semprtieneregulat, cumulndu-se la valori energetice din ce n ce mai mari, cu mrirea amplitudinii de vibraie. Defectele dinamice, de menionat, nu produc distrugeri cu modificri n structura metalelor ca n cazul defectelor statice.nfigura3.1seprezintctevaimperfeciuni simplecaracteristicereelei cristalineale metalelor, de tipul vacanelor, atomi interstiiali, atomi deimpuriti substiiale i atomi de impuriti interstiiali.a.b.c. d.Fig. 3.1. Imperfeciuni punctuale n reelele cristaline ale metalelor: a vacane; b atom interstiial; c atom de impuritate; d atom de impuritate interstiial.n figura 3.2 se arat tipurile de defecte complexe, de tipul coloniilor de vacane, colonie interstiial, clauster de vacane i clauster interstiial.13Colonie de vacaneClauster de vacaneClauster de interstiiiColonie de interstiialiFig. 3.2. Tipuri de defecte complexeAstfel de defecte amplificate duc la apariia dislocaiilor, care pot fi marginale figura 3.3, elicoidale figura 3.4, liniare figura 3.5.a. b.Fig. 3.3. Dislocaie marginal: a cristal ideal; b cristal cu dislocaie marginal14ABB'CC'DDirecie de alunecareFig. 3.4. Dislocaie elicoidalFig. 3.5. Dislocaii liniare; a n care nu s-aprodus nici o alunecare; b n care s-a produs o alunecare sincron; c n care s-a produs o alunecare asincron.15M MNNG BIL L IGGBBa bcBM NGILBDirecia de alunecaren figura 3.6 se prezint microstructura unei reele de dislocaii ntr-un aliaj de aluminiu deformat plastic, la mrire 32500 : 1.Fig. 3.6. Microstructura unei reele de dislocaii ntr-un aliaj de aluminiu deformat plasticMrimea i direcia de alunecare nformarea dislocaiilor este definit prinvectorul Burgers. Dislocaiile sunt rareori n forma liniilor drepte, ele se produc ntre mai multe planuri i pot fielicoidalecanpunctulAfigura3.7, subformdecurbsaubucli marginalecan punctul B. Fig. 3.7. Direcia de alunecare n cazul unor dislocaii elicoidale16Zon fr alunecriBucl de dislocaieVectorul BurgersPlan de alunecareZoncualunecriABbMaiconcretvectorulBurgerssedefinetecuajutorulcircuituluiBurgers,care n cazul dislocaiei marignale din figura 3.8, se obine astfel: se pleac de la nodul reelei O i se propag peste m distane interatomice n jos; apoi peste n distane la dreapta; alte distane m n sus i alte distane n n stnga, pentru nchiderea buclei.a. b.Fig. 3.8. Circuitul i vectorul Burgers al unei dislocaii marginale: a circuitul Burgers ntr-un cristal ideal; b circuitul Burgers ntr-un cristal care conine o dislocaie marginalOricedislocaie estensoitdetensiuni elastice. Energiaelastic ELpeunitatede lungime a dislocaiilor marginale este egal cu: 012ln) 1 ( 4 rr b GEL , [1], iar energia pentru o dislocaie elicoidal: 012ln4 rr b GEe,17unde:G modul de elasticitate transversal;b vectorul Burgers; energia superficial;r1 raza exetrioar a corpului cilindric care conine dislocaia;r2 raza interioar a corpului cilindric care conine dislocaia. 3.2. Tensiuni provenite din procese tehnologice de prelucrare3.2.1. Tensiuni termice la piesele turnate Dac rcirea pieselor n timpul solidificrii s-ar face uniform, adic dac temperatura diverselor pri ale piesei ar fi aceeai n decursul operaiei i dac contracia piesei nu ar fi frnat de materialul formei, piesa s-ar solidifica fr tensiuni. n realitate piesele nu se rcesc uniform, n sensul c prile cu seciuni mai mici i mai ndeprtate de punctul de atac al metalului lichid n form, se rcesc mai repede i ajung n stare plastic cu deformaii elastice.n final n piese, dup turnare, apar tensiuni termicei tensiuni fazice de structur, datorit faptului c seciunile subiri se rcesc mai repede dect cele cu seciuni groase, de la austenit la ferito perlit.Apar de asemenea i tensiuni de contracie, datorit formelor i miezurilor care mpiedic contracia liber a piesei.Tensiuniletermicei tensiunilefazicestructuralesunt remanentenpiesentimpce tensiunile de contracie dispar dup turnare.n figura 3.9 se arat evoluia rcirii i solidificrii n funcie de temperatur a dou bare cu seciune diferit, care la nceput i la sfrit au temperaturile egale, ns n timp temperatura lor de rcire solidificare este diferit.Fig. 3.9. Evoluia rcirii i solidificrii n funcie de temperatur a dou bare cu seciune diferit18TimpulTemperaturatk12Dac se noteaz cu tk, intervalul de temperatur, la care metalul trece din stare plastic n stare elastic, se observ c barele trec prin acest interval la temperaturi diferite. Astfel, pn la timpul 1ambele bare se afl n stare plastic iar n intervalul2 > ambele se gsesc n stare plastic, nsnintervalul2 1 < < , bara1segsetenstareplastic, iar bara2nstare elastic.Fig. 3.10. Pies cu seciuni diferiteAceleai efecte se ntmpl i n cazul unei piese care are seciuni diferite (fig 3.10).Alungirea unei bare: t l l 0 unde: lo- lungimea iniial a barei; coeficientul de dilatare la temperatura t. n felul acesta deformaia prin alungire:

tll 0 n cazul piesei din figura 3.10, barele fiind solidare, de aceei lungime ns temperatur lor va fi diferit datorit seciunii, adic una din bare se va scurta, iar cealalt se va lungi, adic:19 ) 1 ( ) 1 (2 2 1 1 + l lntre alungiri, n seciuni exist relaia de coresponden: 1221SSUnde: S2 i S1, sunt seciunile diferite ale piesei. Astfel:

) (2 121 kt TS SS+ , ) (2 112 kt TS SS+ Faptul c aceste modificri se produc sub aciunea aceleiai fore P i considernd relaia E , putem scrie relaiile:

) (2 121 kt T ES SS + , ) (2 112 kt T ES SS + De aici se ajunge la valorile tensiunilor 1 i 2.Considernd seciunile celor dou zone ale piesei din figura 3.10, valoarea T= 1500C;tk=620C; =1510-6grad-1; E=200000N/mm2seajungelavaloarealui 1=101,5N/mm2i 2=406 N/mm2, fa de rezistena la rupere a oelului de 700 N/mm2, cu alte cuvinte n cazul de fa tensiunile nu ajung la limita elastic.Din relaiilepentru determinarea tensiunilor rezult urmtoarele constatri:- valoarea tensiunilor nu depinde de lungimea barelor;- tensiunile sunt direct proporionale cu modulul de elasticitate;- coeficientul de dilatare, diferena de temperaturi (T+tk) a prilor care se rcesc mai ncet i cele care se rcesc mai rapid;- tensiunile sunt mai mari cu ct seciunile sunt mai mari;- diferena (Ttopire tk solidificare) este cu att mai mare cu ct diferenele de seciuni sunt mai mari;20- n seciunile groase tensiunile sunt de ntindere n timp ce n seciunile subiri, rcite mai repede, tensiunile sunt de compresiune.Drept concluzie, cu privire la tensiunile termice din piesele turnate se menioneaz:- pieseleturnatedupsolidificareauoremanentensionaltolerat, iar dactehnologiade turnare este respectat, aceste tensiuni se echilibreaz i nu produc ruperi; 3.2.2. Tensiuni fazice structurale la piese turnate Dup solidificare are loc rcirea treptat a piesei, temperatura tk nsoit de contracia n stare solid, etap n care se produc i transformri de faz i n stare solid. Aceast contracie este mult mai mic dect contracia la trecerea din stare lichid n stare solid, intervalul (T-tk), care depinde de volumul specific al constituenilor care se formeaz. Astfel,ferita are un volum specificde0,1271g/cm3; austenita0,1212cm3/g+0,0033%Ci martensita0,1271g/cm3+ 0,0033% C. La rciri lente cu trecere de la austenit la perlit se face la temperaturi ridicate cnd materialul estencplastic, cazncaretransformriledefaznuproductensiuni importante, respectiv tratamentele de recoacere.La recoacerea cu viteze mari, cnd austenita se transform n martensit, transformrile se produc la un volum mai ridicat i cu tensiuni mai puternice, cazul tratamentului de clire.Valorile vitezelor de rcire minime se nregistreaz n cazul turnrii n forme pierdute din nisip i maxime la turnarea n forme metalice, innd cont i de conductivitatea termic diferit. Unele stri tensionale la piesele turnate sunt generate i de granulaia grosier, eterogen, care se produce la turnarea n forme din nisip i granulaia mai fin n cazul pieselor turnate n forme metalice i mult mai fin la turnarea n cochil vibrat, dup cum se exemplific n figura 3.11, pentru un aliaj de tip cupru-aluminiu.21Fig. 3.11. Structura aliajului Cu- Al turnat n amestec de formare, cochil static i cochil vibrat, atacat clorur cupric amoniacal, mrire 100x3.2.3.Tensiuni de contracie ale pieselor turnate Aceste tensiuni se formeaz n timpul formrii i turnrii, datorit rezistenei prea mari a formei i a miezului, mai ales n cazul miezurilor metalice, bavurilor i altor defecte caracteristice formrii, care mpiedic contracia piesei sau maselote i reele de turnare, care la rcire nu pot comprima metalul dintre ele. Astfel de tensiuni depesc uneori limita elastic a metalului i pot ajunge astfel la ruperi.Dup dezbaterea pieselor din forme aceste tensiuni dispar, deci nu mai au remanen. 3.3. Tensiuni n piesele deformate plastic i n piesele tratate termicPiesele deformate plastic se obin din semifabricate turnate astfel c o parte din tensiunile acestora provindinturnare, nsceamai mare partesunt datorate procesului dedeformare plastic, care se poate realiza la cald i la rece.Tensiunile n aceste piese sunt de asemenea de natur termic i de natur structural. Un proces tehnologic de deformare plastic sau de tratament termic este optim, atunci cnd n final se obine o echilibrare ntre aceste dou tipuri de tensiuni.22Tensiunea maxim se produce n procesele tehnologice de deformare plastic la receprin forjare-matriare, extrudare, trefilare, laminare, etc. n aceste tehnologii materialul se deformeaz elastic i plastic remanent, acumulnd valori energetice ridicate, care tensioneaz puternic pn la epuizarea posibilitilor de alunecare ale cristalelor, ajungnd n aa zisa stare de ecruisaj, critic, nainte de rupere, caracterizat prin instabilitate din punct de vedere termodinamic i structural.Aceast stare duce la concentrarea dislocaiilor reelei cristaline, micorarea dimensiunilor blocurilor (granulaiei), mrirea unghiului de rotite i alungirea grunilor n direcia deformrii. Se nregistreaz o cretere a duritii cu reducerea plasticitii i tenacitii; mrirea unghiului de rotireprindezorientare, cucreteremaxim a anizotropiei pe direcia deformrii i minim pe direcie transversal, figura 3.12.Unghiul de dezorientareDimensiunea blocurilor inmozaicGradde deformareh0-hhnsauA0-AA0sauA0AlnMicrostructuraProprietatile fizice si mecaniceDimensiunea blocu-rilor in mozaic si unghiul maxim de dezorientaredintre blocuri

Fig. 3.12. Procesul de ecruisare Refacerea proprietilor i structurii unui astfel de material, pentru a fi posibil continuarea fluxului tehnologic, seobineprintr-orecoacerederecristalizare, princaresenlturparial tensiunile de ordinul 2, 3 i 4. Energia termic activeaz procesele de difuzie pentru nlturarea dislocaiilor i completarea vacanelor prin deplasri ale atomilor la distane egale sau mai mici dect parametrul reelei de 1010m.La temperaturi mai mari se produce aa zisa faz de restaurare, revenire, cu fragmentarea grunilor alungii prin deformare i ruperea lor n forme poligonale, avnd ca efect eliminarea tensiunilor de ordinul 2.23nfinal, latemperaturi finalealetratamentului, difuziaseaccentueazi seajungela germenii cristalini nformai dimensiunilelor iniiale, naintedeprelucrareaprindeformare plasticlarece, cndserefaci proprietile, respectivprinscderearezistenei mecanicei creterea tenacitii. Acest moment l reprezint faza de recristalizare, cnd proprietile corespund figurii 3.13. Cresterea grauntilorrecris-talizare relaxareTranscristalizare TemperaturaMicrostructuraDimensiuneamedia a blocurilor in mozaicProprietatile fizice si mecaniceFig. 3.13. Procesul de recristalizare Temperatura de recristalizare este constant fiecrui aliaj metalic i depinde de compoziia chimic a acestuia, exemplu la oelurile carbon 680 710C; la oelurile mediu aliate 600 760C; la aliaje de aluminiu 100 300C; la cupru 180 230C; la bronzuri i alame 300 400C.Procesele de deformare plastic la cald prin forjare, matriare, laminare, etc., nu tensioneaz semifabricatele, ntruct procesului de tensionare prin deformare i se opune energia termic care nsoete deformarea, prin efectul difuziei.24Exist o clasificare a etapelor de nclzire nainte de deformarea plastic la cald a semifabricatelor din oel, care evideniaz procesele intime ale efectelor de durificare, revenire i recristalizare.Astfelunoelnclzit pentru deformare laotemperaturmaimicde 0,2 Ttopire,se deformeaz la rece cnd efectele de durificare sunt pronunate iar cele de restaurare i detensionarenuseproduc, ntimpcedupnclzirentre(0,20,4) Ttopire, deformareaeste incomplet la rece, cnd se nregistreaz att efecte de durificare ct i de revenire.Dactemperaturadenclzireestemaimaredect0,5Ttopire, deformareaseproducela cald, cnd efectul de recristalizare este total iar cel de durificare lipsete, obinnd o structur fin i omogen. La nclziri ntre 0,4 0,5 Ttopire, se produce deformarea incomplet la cald, la care efectul de revenire este total i apare parial efectul de recristalizare.Tensiunile termice att la piesele deformate plastic la cald ct i la piesele tratate termic sunt determinate de seciunile semifabricatului i temperatura de nclzire.Dupnclzireaunui semifabricat cuseciunerotund, marginileAaleacestuiadup nclzire au tendina s se contracte, ns masa predominant Ba restului seciunii avnd temperatura de dup nclzire, formeaz ntinderea marginii, figura 3.14. Fig. 3.14. Stare de tensiune la nclzirePe msura rcirii schimbul de cldur cu exteriorul se intensific, se produce inversarea strii tensionale, figura 3.15, cu tensiuni de compresiune n marginea A i tensiuni de ntindere n restul seciunii, B.25Cualtecuvinte semifabricatele deformate plastic lacaldaunmargine oremanen tensionaldecompresiunei nmiezoremanentensionaldentindere, situaiefavorabil rezistenei mecanice.Aceleai efecte se nregistreaz i cu ocazia tratamentelor termice la care rcirea se face lent, cazul tratamentelor de recoacere.n ce privete tensiunile structurale, acestea depind de viteza de rcire i volumul specific al constituenilor care se formeaz, fiind foarte importante la tratamentele termice. Dac considermnclzirea i rcirea unui oel carbon, diagrama - temperatur timp prezint transformarea de la ferit la austenit, figura 3.16.

Fig. 3.16. Transformarea ferit- austenitLa nclzire ferita se transform n austenit, care poate acumula pn la 2% carbon. Dac rcirea se face lent, transformrile se produc n sens invers cu un anumit histerezis, iar carbonul acumulat se pierde prin difuzie, cu alte cuvinte, la o astfel de rcire starea tensional corespunde figurii 3.15, fiind de natur termic.Dacrcireaseproducerapid, atunci seformeazconstituentul martensit, cuvolum specific mai mare fiindc are o remanen de 1% carbon i deci volumul specific 0,1271g/cm3+0,0033%c, piesele nregistrnd o cretere de volum, deci tensiunile la ntindere n margine i compresiune n miez, figura 3.17.26

Fig. 3.17. Tensiuni remanente la rcire rapidCu ct procesul de clire are loc mai rapid, cu att diferena de temperatur dintre miez i suprafa va fi mai mare i cu att mai mari vor fi tensiunile remanente dup rcire.Observmdeci clacald, tensiunilestructuralefigura3.17, ausensinverstensiunilor termice, figura 3.15, putnd astfel s se echilibreze. Fig. 3.15. Stare de tensiune la rcire3.4. Tensiuni n mbinrile sudate27Procesultehnologicdesudarese produce printr-onclzire rapid ircire cu circa 300C/minut, cuefect defragilizareasuprametalului debazi nzonadeinfluentermic. Ciclul desudareproducedeformaii i solicitri termice. Structuraferito-perliticntr-unoel carbonsudabilestetransformatspre forme aciculare fragilizante,care intersecteaz lamele de cementit provenite din destrmarea sorbitei.Distribuia neuniform a temperaturii, figura 3.18, a, conduce la deformaii plastice DP i deformaii elastice DE, la finalizarea nclzirii figura 3.18, b, care la rcire dup solidificare pot fi de ntindere sau de compresiune, figura 3.18, c. Fig. 3.18. Influena temperaturiiZona 1 este nclzit pn la topire.Zonele2-2sunt nclzitepestepierdereaelasticitii, transformndu-secastructurcu nregistrarea unor deformaii prin modificarea volumului. n zonele 3-3, elasticitatea este pierdut numai parial, deformaiadevolumfiindmai mic, iar nzonele4-4senregistreaznumai deformaie elastic.28La rcire ansamblul se va comprima. n zonele 1 i 2, comprimarea are loc la nceput n domeniul plastic iar la temperaturi mai joase n domeniul elastic.Ciclul termo-deformaional examinat conducelaapariiaunor tensiuni remanente. n zonele n care au loc deformri prin compresiune se formeaz tensiuni de ntindere, iar tensiunile de compresiune care le echilibreaz vor apare n zonele cu deformri prin ntindere, figura 3.19. Fig. 3.19. Tensiuni remanente n sudurNivelul acestor tensiuni depinde de compoziia chimic a oelului i condiiile tehnologice de sudare. O astfel de apreciere pentru dou oeluri sudabile este artat n tabelul urmtor:1. Marca oelului OL37 OLC202. Temperatura de rcire la care ncepe transformarea austenitei, C 680 6703. Deformaia nainte de transformare, % +0,78 +0,724. Tensiunea nainte de deformare, daN/mm2+1,7 +1,55. Intervalul temperaturilor cu tensiuni de comprimare, C 670 - 500 630 4006. Deformaia dup rcire, % +0,33 +0,307. Tensiunile dup rcire, daN/mm2+23 +22Tensiunileremanentenmbinrilesudatepot atingelimitaelastici chiar limitade curgereaoelului, ceeaceimpunenlturareaacestoraprinrecoaceri completedeechilibrare, realizate mai ales prin normalizare.nsituaiacndtensiunileauvalori sublimitadeelasticitate, mbinrilesudatetrebuie detensionate nainte punere n oper29 4. Metode de determinare experimental a tensiunilor interne 4.1. Evaluarea tensiunilor rezidualePentru evaluarea tensiunilor reziduale se pot folosi metode calitative i metode cantitative, fcndu-se o distincie clar ntre metodele distructive i cele nedistructive.Primul tip de metodepresupun distrugerea materialului prin secionarea piesei, achiere sau ndeprtare de material prin alt procedeu dect achiere (metoda guririi, metoda decuprii unui inel, metoda secionrii sau metoda ndoirii).Al doilea tip de metode (nedistructive) se bazeaz pe relaia dintre parametrii fizici i cristalografici, i tensiunile reziduale(metoda difraciei cu raze X, metoda ultrasonic, metoda magnetic).Tensiunile reziduale pot fievaluate n funcie de lungimea de scar caracteristic, aa cum se prezint n figura 4.1.Fig. 4.1. Evaluarea tensiunilor reziduale n funcie de lungimea de scar30

4.2. Metode de determinare a tensiunilor rezidualeMetoda Bauer si HeynSe pleac de la ideea c tensiunile interne dintr-un cilindru pot fi asemnate cu un sistem de arcuri (figura 4.2, a). Se analizeaz numai tensiunile longitudinale i se presupune c bara cilindric conine tensiuni interne de ntindere n zona periferiei i tensiuni de compresiune n centru. Dac ndeprtm partea exterioar, deci arcurile ntinse, zona central (arcurile comprimate) se va lungi (figura 4.2, b). Mrimea alungirilor este direct proportional cu forta exercitat de arcurile din exterior. Alungirea zonei centrale va fi:,11LL dd undeL1 este lungimea deformat a elementului. Tensiunile eliberate prin aceast deformare, int. sunt legate de alungire prin legea lui Hooke:31Fig. 4.2. Reprezentarea intuitiv a tensiunilor interne abFig. 4.3. Reprezentareatensiunilorinterne pe diametrul unei barea b#ntindereCompres.Tensiuni interne longitudinale.1 int d E nainte de ndeprtarea stratului exterior, cilindrul a fost n echilibru. Acum fora din zona central a piesei trebuie s echilibreze fora din materialul ndeprtat:.1 1 ext cP d E A P Aria iniial a barei cilindrice se noteaz cu A0, iar aria stratului exterior va fidA1 = A0 - A1. Tensiunea medie care a existat n stratul exterior se noteaz cu ext astfel c fora din stratul exterior poate fi scris sub forma:.1A d Pextext Egalnd forele din zona central cu cele din stratul exterior, se obine relaia de calcul a tensiunii n stratul exterior:.11 1dAd E Aext Ecuaia exprim tensiunea intern cnd aceasta are o distribuie arbitrar. n realitate tensiunile interne longitudinale variaz n mod continuu ca n figura 4.2, b. Cnd distribuia de tensiuni se msoar prin ndeprtarea succesiv a unor straturi subiri, ecuaia permite numai calculul tensiunilor interne din primul strat ndeprtat, pentru c prin eliminarea lui se produce o redistribuire a tensiunilor rmase n bar. Tensiunea real n stratul al doilea, aa cum a existat n bara original (nainte de ndeprtare), este dat de relaia:32,122 22 d EdAd E A UndeA2 este aria cilindrului rmas dup ndeprtarea stratului dA1. Pentru determinarea tensiunilor n straturile succesive, trebuie fcut corecia care ine seama de tensiunile ndeprtate o dat cu toate straturile precedente:( ) .1 3 2 1 + + + + nnn nnd d d d EdAd E A Dac se indeprteaz grosimi ce pot fi exprimate sub form diferenial, ecuaia devine sub forma:. . ,_

,_

dAdA E ddAdA EEcuaia poate fi utilizat pentru determinarea tensiunilor interne longitudinale n oricare punct de pe raza barei. n realitate dac se ine cont i de tensiunile interne circumfereniale i respectivradiale, determinareatensiunilor interneprinaceastmetod, poateconducelaerori pan la 30%.Metoda prin gurire model SachsEste o metod exact pentru determinarea tensiunilor remanente longitudinale, circumfereniale i radiale n bare i tuburi. Metoda este aplicabil la corpurile cilindrice la care tensiunile interne variaz ndirectie radial, dar sunt constante pedirecie longitudunal i circumferenial. Dealtfel majoritatea barelor i evilor, care sunt realizate prinoperaii de 33deformare, au spectru de tensiuni interne simetrice.Prima etap, pentru aplicarea metodei, se execut o gaur axial n bar. Cu un burghiu se ndeprteaz straturile de material de la interiorul cilindrului gol; avnd o grij deosebit pentru evitarea supranclzirii.ntre dou msurri ale deformaiei trebuie ndeprtat aproximativ 5% din aria seciunii transversale. Pentru eliminarea efectului de capt, lungimea epruvetei trebuie s fiedetrei orimai maredect diametrul.Dupndeprtareafiecruistratde lainterior, sefac msurri ale alungirii longitudinale L i circumferenialet.,00 1LL LL .00 1DD Dt Variaiile lungimii i ale diametrului se msoar cu micrometre, dar se obine o precizie maimareprinfolosireatraductorilortensometrici rezistivi,lipii pe direcia circumferenial i longitudinal ale barei.Conformstudiului efectuat deSachs, alungirilelongitudinalei circumferenialepot fi combinate n doi parametri:,t L + .L t + Tensiunile longitudinale, circumferenialei radiale pot fi exprimate prinurmtoarele relaii:( ) ,0'1]1

dAdA A EL34( ) ,200'1]1

+ AA AdAdA A Et,20 '

,_

AA AErUnde:E = E/(1-2); A0 = aria iniial a cilindrului; A -aria poriunii din cilindru ndeprtat prin gurire; - coeficientul de contracie transversal.Pentru a se utiliza ecuaiile de mai sus trebuie s se reprezinte parametrii deformaiilor i , n funcie de aria ndeprtat prin gurire. Pantele acestor curbe sunt utilizate n ecuaiile prezentate. Pentrudeterminareatensiunii dinlungul axei barei saudininteriorul tubului este necesar s se extrapoleze curbele i n funcie de A, pn la A = A0. n mod asemntor, pentru a se determina tensiunile pe suprafaa exterioar a barei, aceste curbe trebuie extrapolate pan la A = A0. Exist o anumit grosime de perete a evii, rmas dup gurire, sub care eava poate s flambeze. O metod pentru obinerea unei determinri exacte a tensiunilor n zona din aproprierea suprafeei exterioare a barei const n msurarea variaiilor de diametru ale gurii, n timp ce se ndeprteaz materialul din zona suprafeei exterioare. Ecuaiile pentru acest caz sunt:( ) ,'1]1

dAdA A Eg L( ) ,2'1]1

+ AA AdAdA A Egg t,2'

,_

AA AEgr35Unde:Ag - este aria suprafeei gurite;A - aria suprafeei transversale a cilindrului dup ndeprtarea fiecrui strat.Metoda guririi (figura 4.4) este folosit atunci cnd este posibil de aplicat o alt metod nedistructiv, pentru materiale cu granulaie mare, materiale texturate sau materiale obinute prin deformare. Se bazeaz pe fenomenul de revenire a materialului dup realizarea gurii n centrul unei piese ce are fixate pe ea timbre tensometrice.

36

Fig. 4.4. Tensiunile reziduale folosind metoda guririi

Metoda sgeilorMetodele analizate sunt greu de pus n aplicare ntrucat necesit un studiu complicat i de lung durat. De aceea s-audezvoltat metode mai rapide dar i mai puin exacte. Aceste metode se bazeaz pe despicarea pe cale mecanic a epruvetei urmat de msurarea sgeilor. Ele sunt aplicate cnd se poate presupune c tensiunile variaz liniar pe grosimea unei table sau a unui tub, dar sunt constante pelime saucircumferin. nrealitatevariaiatensiunilor nfunciede grosime este rareori liniar. Metoda bazat pe msurarea sgeilor ia nconsiderare numai tensiunile ce acioneaz ntr-o singur direcie i anume direcia tensiunii maxime. De reinut c valoarea tensiunii maxime poate fi modificat de prezena tensiunilor pe celelalte direcii.Metoda difraciei cu raze XMetoda difraciei cu raze X, figura4.7,esteometodprecisfolositla msurarea tensiunilor reziduale n materiale policristaline cu granulaie fin. Se mai numete imetodasin2, undeesteunghiulcucare esterotitpiesa. Mrimearotirii estedatde mrimea tensiunilor reziduale. Relaia dintre tensiunile reziduale i unghiul de rotire:37( )( )002sin 1 dd d Eu +,unde E i sunt modulul de elasticitate i coeficientul lui Poisson, iar disunt cele d distane msurate dup fiecare nclinare.Fig. 4.7. Metoda difraciei cu raze XMetoda utilizeaz spaiul interatomic al unora dintre planele reelei ca lungime etalon pentru msurarea alungirilor. Practic, se determin spaiul interatomic pentru un anumit plan al reelei pe corpul nesolicitat i apoi determinarea se face pentru materialul care conine tensiuni interne. Prin aceast metod se pot msura numai alungirile din zona suprafeei deci se pot determina numai tensiunile interne de suprafa, deoarece razele X ptrund n interiorul materialului pe o adncime mai mic de 0,025mm. Avantajul metodei cu raze X este acela c nu este distructiv. Starea de tensiuni interne, cu aceast metod, se determin pe o suprafa relativ mic (cu diametrul de circa 3mm), ceea ce face ca aceast metod s fie foarte util pentru msurarea gradienilor de tensiune foarte abrupi. Metoda prezint dezavantaj atunci cnd este necesar s determinm starea de tensiuni interne global din zona suprafeei. Deoarecemetodasebazeazpeo msurare foarteexact a modificriipoziieirazeiX reflectat de o serie de plane ale reelei, din cauza prezenei alungirii elastice este necesar s se repereze exact liniile de difracie. Utilizarea filmului pentru nregistrarea razelor X reflectate cere ca epruveta s aib linii de difracie clare, dac se dorete msurarea cu precizie a alungirilor n reea. ntrucat materialul deformat puterniclarecei oelul clit i revenit daulinii largi de difracie, tensiunile interne n aceast categorie de produse nu pot fi determinate cu precizie prin metoda cu raze X. Au fost ns, dezvoltate metode bazate pe raze X care permit msurarea cu o precizie acceptabil a tensiunilor interne n oelurile tratate termic.Legealui Braggexprimrelaiaceexistntredistanaddintreoseriedatdeplane, lungimea de und a razelor X, ordinul de difracie n i unghiul de difracie msurat :. sin 2 d n 38Modul de lucruconst ndeterminarea valorilor pentru otensiune liniar sausuma tensiunilor principale(1+2). ncazul metodei Sachs-Weerts sefacdoudeterminri cu ajutorul razelor X ale interspaiilor din cadrul reelei d, orientnd fascicolul de raze X normal pe suprafaa piesei. O msurtoare se face pentru determinarea valorii d, corespunztoare suprafeei tensionate, ntimpceprinadouasedeterminvaloaread0cecorespundesituaiei ncare materialul este nesolicitat. Constanta reelei materialului nesolicitat se obine fie scond un mic dop din epruvet, fie detensionnd epruveta pe cale termic. Alungirea normal pe suprafa, care se msoar cu raze X este 3:

.00 13dd d Din teoria elasticitii, se cunoate c alungirea pe direcia normal la o suprafa liber poate fi exprimat cu relaia: ( ).2 13E +Suma tensiunilor principale aflate n zona suprafeei epruvetei este dat de relaia:.00 12 1dd d E +Starea generalizat corespunztoare tensiunilor principale ce actioneaz pe suprafat poate fi reprezentat n trei dimensiuni, printr-un elipsoid figura 4.8.Tensiunea normal dat de coordonatele i se poate scrie n funcie de cele trei tensiuni principale i de cosinusurile lor directoare l, m. i n prin relaia:39321Fig. 4.8. Reprezentarea tensiunilor 1, 2, 3 cu ajutorul elipsoidului322212 n m l + + ;Unde:I = sin cos :m = sin sin : n = cos .ntrucat metoda cu raze X permite determinarea tensiunilor interne numai din zona suprafeei, 3 = 0. Ecuaia devine: + 2221sin cos .O ecuaie analog poate fi scris pentru alungirile specifice principale:322212 n m l + + .nlocuind valorile lui se obine:( ). sin cos sin1222123 1 + + E.1sin23 +E40,0100 1003dd ddd ddd d Unde:d0 -este spaiul interatomic n cazul n care metalul nu este solicitat;d1 -spaiul interatomic n metalul solicitat pe direcie perpendicular pe suprafaa epruvetei;d -spaiul interatomic pe direcia definit de unghiurile i . nlocuind pe d0 prin d1 ecuaia se simplific:.sin11211 +Edd dDac se cunosc direciile celor dou tensiuni principale 1 i 2 de la suprafaa piesei, este suficient s se fac trei expuneri pentru a determina complet starea plan de tensiuni din punctul respectiv al suprafeei; prima expunere se face cu fascicolul de raze perpendicular pe d1, a doua expunere cu= 45 n direcia 1 permite determinarea lui 1 pe baza ultimei ecuaii, n timp ce a treia expunere cu = 45 pe cea de a doua direcie principal 2 permite determinarea lui 2 din aceeai ecuaie. Tensiunea 3 este nul, deoarece msurrile se fac pe o suprafa liber.Dac este necesar s se determine att mrimea cat i direcia lui 1 i 2, sunt necesare patru expuneri: una cu fascicol de raze normal pe suprafa, pentru a se determina d1, iar cellalte trei pe trei direcii cunoscute (se obinuiesc expuneri la unghiurile , +60i - 60 lund =45 pentru fiecare valoare a lui ).415.metode de reducere a tensiunilor 5.1. Reducerea tensiunilor interne prin detensionare termic 5.1.1. Analiza tensiunilor n cteva tehnologii de fabricaie clasicePrin rcirea unei piese de la o temperatur nalt la o temperatur joas se accentueaz dezvoltarea tensiunilor interne, datorit diferenelor mari de temperatur ntre zonele de suprafa i zona central, ca urmare a vitezei mari de de rcire. Spectrul de tensiuni interne care apar se datoreaz att variaiei de volum produs de variaia de temperatur, ct i variaiilor de volum ce rezult n urma transformrii austenitei n martensit. Se vor studia separat doi factori care produc tensiuni interne:a. Cazul n care tensiunile interne se datoreaz modificrii temperaturiiSituaia se ntlnete n cazul clirii unui metal care nu sufer modificri de faz n timpul rcirii,sau n cazul unui oel rcit rapid de la o temperatur de revenire aflat sub temperatura critic A1.Variaia tensiunilor interne de-a lungul diametrului unei bare clite pe direcia longitudinal, circumferenial i radial este artat in figura 5.1, a pentru cazul obinuit al unui metal caresecontractprinrcire. nfigura 5.1,c se arat variaia de tensiunidesemnopus obinut la un metal care se dilat prin rcire.n cazul figura 5.1, a suprafaa relativ rece a barei tinde s se contracte formnd un inel mai scurt i de diametru mai mic fa de mrimile iniiale. Acest inel tinde s intind materialul din centrul piesei, care este mai cald i mai plastic, sub forma unui cilindru mai lung i mai subire fa de dimensiunile sale iniiale. Urmare a contraciilor diferite, inelul exterior este comprimat pe toate direciile (longitudinal,circumferenial i radial), n acelai timp n care materialul din centrul piesei este ntins pe toate direciile. Valoarea tensiunilor interne produs princlire depinde de relaia dintre tensiune i alungire (ce caracterizeaz materialul) i gradul de neechilibrare a deformaiilor produs la clire. 42Tensiunile interne sunt cu att mai mari cu ct este mai mare valoarea modulului de elasticitate al materialului.Tensiunile interne sunt cu att mai mari cu ct este mai mare limita de curgere a materialului. Urmtoarele combinaii deproprieti fiziceconduclaundezechilibrumareal deformaiilor i implicit al tensiunilor interne, n urma clirii: - o conductivitate termic, k,joas; - o cldur specific, c, mare; - un coeficient de dilatare termic, ,mare; - o densitate, , mare; - un diametru mare al cilindrului; - diferen mare ntre temperatura iniial i temperatura bii de clire; - o clire intens.b. Cazul n care tensiunile interne se datoreaz variaiilor de volum ce rezult n urma transformrii austenitei n martensitTransformareaaustenitei nmartensitestensoitdeocreteredevolum, metalul se dilat atunci cnd reacia martensitei se desfoar n timpul rcirii de la temperatura Msla Mf. Aceasta produce o distribuie de tensiuni interne ca n figura 5.1, c.Distribuiatensiunilor internentr-opiesdeoel clit esterezultatul adouprocese: contracia termic i dilatarea volumic datorit formrii martensitei. De asemenea transformarea austenitei nbainitsauperlitproduceodilatarevolumic, careestenscevamai redus. Mrimea tensiunilor interne ce rezult din aceste transformri, depinde pe de o parte de caracteristicile de transformare ale oelului care sunt determinate n primul rnd de compoziie i clibilitate, iar pe de alt parte de caracteristicile de transfer de cldur ale sistemului determinate nprimulrnddediametrul piesei, de temperatura de austenitizare i de intensitatea clirii.n figura 5.2 sunt prezentate cteva tipuri de diagrame43Tensiuni longitudinale+-DireciaL- longitudinalT- circumferenialR - radialTensiuni circumferenialeTensiuniradialeTensiuni longitudinaleTensiuni circumferenialeTensiuniradialeaRTLbc44Fig. 5.1. Distribuia de tensiuni interne ntr-o bar clitTemperaturaMscAustenitPerlitMartensitLog. timpemcTemperaturaaMsaAustenitPerlitMartensitLog. timpemcLRT000+-bRT000+-dL5.1. Metode de detensionare cu ultrasuneteProcesul ultrasonic de determinare a tensiunilor interne remanente n corpuri metalice se bazeazpeefectul acusto-elastic. Acestadescriemodificrilevitezei depropagareaundelor ultrasonice n funcie de starea de tensiuni, respectiv eforturile de ntindere (deformaie) n solidul respectiv.Unexemplu practic l reprezint metoda de msurare a tensiunilor n reelele vagoanelor de ci ferate, att la recepia iniial ct i pe parcursul exploatrii.Aparatul de msur de tip VERT, cu aplicabilitate, numai la astfel de rate, a fost realizat de un institut de cercetri din Germania, Institut Zersrrungsfreie Prufverfahren.Aparatulasigurevaluareatimpilor de propagare i valoarea tensiunilor interne. El este prevzut cuunpalpator electromagnetic ultrasonic, traductor al energiei electricenenergie ultrasonic, caregenereazundetransversalecuoscilaiendireciadorit. Minirobotul care 45Fig. 5.2. Caracteristicile de transformare a unui oel i distribuia de tensiuni interne ce rezultasigur deplasarea palpatorului este dotat cu dou servomotoare, dintre care unul rotete palpatorul n direcia de oscilaie dorit i cellalt l deplaseaz pas cu pas n direcie radial.Se creeaz astfel sub palpator un cmp electric sub influena cruia se genereaz unde transversalecuooscilaiedorit. nmodsimilar undaultrasonicreceptatsetransformn tensiune electric. Operaia se poate realiza i pe suprafeele rugoase fr a fi necesar un mediu de cuplaj.Controlulserealizeazndou etape, mai nainte prin msurarea tensiunilor n direcie radiali apoi ndirecietangeniali nfinal seafieazpemonitor diagramatensiunilor circumfereniale,preponderente,la o roat virgin, datorit durificrii pe suprafaa de rulare, la adncimi de 14 20 mm, prin clire superficial.Cu alte cuvinte procedeul de determinare a tensiunilor interne remanente utilizeaz efectul acusto-elastic, care descrie modificrile vitezelor de propagare a undelor ultrasonice n funcie de starea de tensiune, respectiv deformaiile din acesta.n figura 5.16 este reprezentat efectul acusto-elastic, ntr-un corp solid care este supus unei tensiuni de ntindere . Solidul reacioneaz cu deformaia , iar viteza de propagare se modific odat cu deformaia. Fig. 5.16. Efectul acusto elastic ntr-un corp solidModificarea relativ a vitezei de propagare a undei este: 46134 2 5

0 00VVVV V ,Unde: V0 este viteza de propagare n piesa netensionat, n funcie de deformaie se arat n figura 5.17.Efectul cel mai puternic este produs de undele longitudinale1propagate ndirecia deformaiei.Vitezadepropagareaundelor transversale, perpendicular petensiunea, cu oscilaie paralel cu tensiunea, cazul undei 5, se micoreaz la creterea deformaiei, cu efect mai intens dect n cazul undelor longitudinale. Fig. 5.17. Viteza de propagare n piesa netensionat n funcie de deformaieViteza de propagare a undelor transversale, perpendicular pe tensiunea , ns cu oscilaia perpendicular pe aceasta, cazul undei 4, scade semnificativ cu creterea deformaiei , efect care se utilizeaz la determinarea strii de tensiuni a roii.470/00sv/v[0/00]24351Figure 13.26: Hammer Excitation Test on classical track (a) and Embedded Rail Structure (b)Cu alte cuvinte viteza undei este influenat n primul rnd de tensiunile circumfereniale tan i mai puin de cele radiale rad, care au o influen redus asupra vitezei. Mai trebuie inut cont i de grosime, direcia n care se propag tensiunile unde influena asupra vitezei de propagare este constant gros.Timpul de propagare a undei n form simplificat se poate scrie:gros radradC B Att t + + tan00) (gros radC B Att t + + tan00 tanunde A, B, C,reprezint constante elastice de material. Prin diferena dintre cele dou relaii de mai sus se obine:) ( ) ( ) () (tan tan0tanB A B Att trad radrad + S-a eliminatCgros,constanti se poate considera cto=trad,ntructtradare influen nesemnificativ, cazul undei4. Deasemenea(A-B)sepoatenlocui cu1/k, obinndnfinal ecuaia tensiunilor n roile monobloc:48radradradtt t k ) (tantan unde, k este constant de material care n cazul oelului OLC folosit este de 150103 MPa.Figure 14.24: Recording properties of embedded railtest sample in laboratoryFigure 14.25: Extracting embedded rail dynamic properties by meansof curve-fitting of the recorded transfer function49Figure 14.26: (a) Simulated and recorded transfer functions of embedded rail structure at rail head5.2Stabilizarea tensiunilor remanente prin vibraii mecanicePe baza cercetrilor intreprinse pn n prezent privind domeniul reducerii tensiunilor remanente prin vibraii rezult urmtoarele concluzii:- Procesul vibrrii pieselor metaliceconducelareducereantr-oanumit msur a valorilor maxime ale tensiunilor remanente, determinnd uniformizarea repartiiei acestor tensiuni n masa piesei. Tensiunile remanentenusunt complet reduse, procesul vibratoriuaducndaceste tensiuni la starea de echilibru.- Spre deosebire de reducerea tensiunilor maxime prin vibrare, detensionarea(n accepiunea clasicaacestui concept)reduce nmare msur tensiunile remanente n ntreaga mas metalic. Prin detensionare tensiunileremanenteajunglavalori inferioareunei limiteadmise, astfel nct ele s nu aduc prejudicii integritii materialului n timpul funcionrii piesei.50- Energia furnizat din exterior, introdus n pies prin vibrare, nu permite coborrea accentuat a niveluluitensiunilor remanente n ntregulvolum metalic vibrat, ceea ce se ntmpl n cazul detensionrii pe cale termic.- Domeniul aplicativ al tehnologiei neconvenionale de reducere a tensiunilor remanente prin vibraii se impune a fi limitat la stabilizarea dimensional igeometric a piesei metalice.Pe baza celor afirmate mai sus, se recomand renunarea la termenul de detensionare prin vibraii i nlocuirea lui cu termenul de stabilizare dimensional prin vibraii, sau stabilizarea tensiunilor remanente. Acest termen red ntocmai domeniul aplicativ al acestei tenologii neconvenionale.Stabilizarea tensiunilor remanente i mbuntirea stabilitii dimensionale a pieselor sau subansabblelor prin vibraii cunoate o tot mai larg rspndire, n general datorit avantajelor pe care le are fa de celelalte procedee, i n special fa de cele termice. Dintre avantajele acestui procedeu se amintesc urmtoarele:- consum redus de energie- utilaje relativ simple, accesibile- este un procedeu nedistructiv- proprietile fizico-chimice ale materialului rmn nemodificate- aplicabilitate pentru o mare varietate de piese.Ca dezavantaje se amintesc:- imposibilitatea eliminrii complete a tensiunilor remanente, se poate obine numai o stabilizare, o micorare a acestora- piesele supuse stabilizrii tensiunilor remanente prin vibraii trebuie supuse n prealabil unui control defectoscopic pentru a evidenia eventualele fisuri nmaterialul piesei, deoareceprezenaacestorantimpul procesului de vibrare poate deveni periculoas, vibraiile conducnd la propagarea fisurilor n masa materialului piesei i n final la ruerea acesteea.Echipamentul clasic care st la baza detensionrii prin vibraii const din (Fig. 7.3.): Unitatea de comand; Vibratorul; Accelerometrul sau traductorul de vibraii; Izolatoarele pe care se aeaz piesa de detensionat, pentru a putea vibra liber.511 32456Fig. 7.3Echipamentul VSR: 1 Consol de comand mobil; 2 Traductor piezoelectric de acceleraie; 3 Vibratorul; 4 -Bride de prindere vibrator; 5 Piesa de detensionat; 6 Izolatoare de vibraii.Existtrei sistemeprincipalededetensionareprinvibraii: sistemerezonanteR-VSR, sisteme modale subrezonante SB-VSR i sisteme subarmonice SH-VSR.6. Studiul i urmrirea prin ultrasunete a tensiunilor termice la inele decale ferat sudate continuua. Obiectul studiuluincazul inelordecaleferatsudatecontinuupotapreatensiuni decompresiunesau ntindere devaloare maredatorit dilatrii termice. Tensiunile decompresiunempreun cu sarcinile dinamice aplicate cii de rulare la trecerea trenului pot conduce, cu urmri periculoase, la flambarea cii de rulare.Anticiprileteoreticealetensiunilortermice, avndlabazmsurtori aletemperaturii inelor decaleferat, sunt dificil deobinut, datoritmultor factori necunoscui caredescriu structura inelor, dar i deplasrilor ce intervin. Experimental, au fost testate mai multe metode nedestructive pentru evaluarea tensiunilor, dar fr aplicabilitate practic.ncdinanii 50, aufost puselapunct sistemeportabilei tehnologii adecvatecapabiles realizeze sudarea n condiii de teren. inelor de cale ferat realizate prin sudare continu model CWR -(Continuously Welded Rails)- sunt foarte folosite mai ales c se asigur mrirea duratei de via a inelor i reducerea cheltuielilor de mentenan.Se pot controla astfel, forele longitudinale care apar n ine datorit variaiilor de temperatur i ncrcrilor exterioare.Sarcinile de ntindere pot conduce la fisurarea inelor iar cele de compresiune la flambare, cu urmri n deraierea trenului.Pentruapreveniacestlucruunele companii impun reducerea vitezei pe timpulverii n zilele cu temperaturi ridicate, n scopul reducerii sarcilor dinamice.52Alt mod de a reduce tensiunile de flambaj const n reducerea tensiunilor de compresiune prin montarea unei piese de dimensiuni mici si sudarea acesteia cu inele aflate una n continuarea alteia.n general, evaluarea tensiunilor innd cont de temperatura mediului ambiant sau a inelor estefoartedificil datoritdiverilor factori care influeneaz rezistena fundaiei i distribuiei variabile a temperaturii de-a lungul inei. n ciuda acumulrii experienei de-a lungul mai multor ani de testri, problema este nc nerezolvat. b. Cauzele apariiei tensiunilor interne n cazul inelor realizate prin tehnica sudrii continuueTensiunile, n acest caz, au origini variate i sunt create n stadii diferite ale duratei de utilizare a inelor. Mai nti ele pot fi generate n timpul procesului de roluire, iar n figura 5.23 este prezentat distribuia componentei logitudinaleatensiunii reziduale din ina de cale ferat. Tensiunile de ntindere apar (n seciune transversal) la partea superioar i inferioar a inei, n timp ce cele de compresiune n partea central. Valoarea lor poate varia n funcie de procedeul de ndreptare i de tratamentul termic aplicat. O caracteristic important a tensiunilor reziduale, n cazul inelelor noi, este c valoarea lor de-alungul seciunii transversaleestezeroi nudaunaterelanici oforlongitudinal. Aceste tensiuni sunt observate i localizate la o distan de circa 500 mm de zona de sudare. Dac operaiadesudareafostefectuatpe in nainte de fixarea pe travers, nu apare nicio for 53Fig. 5.23. Variaia tensiunii reziduale longitudinale din ina de cale feratlongitudinal, dar sepot observaschimbri semnificativealestrii detensiunenvecintatea locului de sudare.Operaia ulterioar sudrii este reglarea geometriei cii de rulare dup ce cele dou ine ale cii de rulare au fost fixate pe traverse, prin micri verticale i orizontale. n funcie de mrimea deplasrii (fuga) liniei, aceast operaie poate da natere unor fore longitudinale n cazul CWR.Principala surs a forelor longitudinale n cazul CWR este tensiunea termic cauzat de dilatarea termic a materialului inei. n zona de sfrit a sudurii tensiunea este zero, iar n zona de mijloc valoarea depinde de diferena dintre temperatura iniial a inei i temperatura la care a fost realizat suduradar i demomentul fixrii pe travers. Temperatura lacare afost realizat procedeul desudarecontinusenumetetemperaturaneutrainei. Sepresupunecla aceast temperatur, care uzual este n gama 18-30C. Orice schimbare de temperatur fa de temperatura neutr va conduce la apariia unei tensiuni longitudinale. Pentru liniile drepte, corect fixate pe travers, o schimbare de temperatur cu 1C are ca efect inducerea unei tensiuni de 2,5 MPa. Acest lucru presupune apariia unei fore longitudinale de 18,6 kN. Aa cum se cunoate n timpul zilelor de var temperatura CWR poate cretepnla70C, cazncare, considerndtemperaturaneutrde18C, foralongitudinal ajungela1000 kN. Deoarece, ncondiii climatice extreme, diferena dintre temperatura CWR maxim i minim a fost msurat la circa 120C se poate considera c fora ce acioneaz n calea de rulare poate fi mai mare de 2000 kN.O alt surs important ce influeneaz fora longitudinal este deplasarea longitudinal a cii de rulare. Micarea cii fa de sol poate fi cauzat de forele dezvoltate ca urmare a frnrii sauaccelerrii trenului, lucrriledereparaieefectuatelacaleaderularesauneuniformitii distribuieiforelordenaturtermic.n unele zone calea este scurtat i pot apare fore de compresiune. Forele datorit deplasrilor cii de rulare por fi diferite pe cele dou ine ceea ce conducelandoireacii derulare. Deasemeneastareaasimetricdetensiuni poatefi cauza flambrii inei.Problemeimportanteprivindconcentrareatensiunilor datorit deplasrilor pot aprean apropiereapodurilor, macazelor sau la intersecia cu drumuri unde rezistena cii de rulare poate suferi schimbri rapide. n aceste zone, tensiunile termice sau de alt natur nsumate pot conduce la fore de valoare mare. Dar nu numai att: acestea sunt dificil de evaluat. 54n inele cii de rulare distribuia tensiunilor reziduale este modificat datorit deformaiilor plastice ce au loc n zona de contact roat-in, n timpul rulrii. Grosimea stratului deformat la rece depinde de proprietile mecanice ale materialui inei i sarcina aplicat. Uzual acest strat are civa milimetrii grosime. Tensiunile de compresiune iau natere n partea superioarastratului, iar celedentinderenparteainferioarastratului deformat, laciva milimetrii de suprafaa de rulare.c. Msurarea tensiunilor reziduale prin metoda ultrasonic Pentru msurarea tensiunilor termice, au fost fost puse la punct mai multe metode. Cea mai simplestemetodasecionrii inelor decaleferat, ometoddistructiv, cearenvedere msurarea deplasrilor capetelor. Folosind aceast metod se pot determina, cu valoare aproximativ, tensiunile n ina de cale ferat, nainte de a fi tiat.O alt metod folosit n multe ri, dar depit, este aceea de a monitoriza deplasarea n mai multe puncte de-a lungul inelor. Sunt marcate puncte (se plaseaz marcri) la fiecare 200 m i periodic se fac msurtori, observnd dac a avut loc sau nu deplasarea punctelor (marcrilor). n cazul n care distana s-a micorat, au aprut tensiuni de compresiune, iar la mrirea distanei, tensiuni de ntindere.O metod recent, nedistructiv, cu rezultate foarte bune este metoda ultrasonic.Metoda are la baz fenomenul elasto-acustic, respectiv dependena vitezele undei ultrasonicedetensiune. Schimbriledevitezdepinddeproprietilematerialului, tipul undei ultrasonice i relaia dintre direcia propagrii undei, polarizare i tensiune.n prezent sunt foarte folosite dou tehnici de msurare: metoda birefringenei i metoda propagrii longitudinale a undelor.Prima serefer la msurareabirefrigenei (dublei refracii) acustice. Prima aplicare a acestei metodepentruindustriadetransporturi feroviare, nurmcu25deani, s-areferit la msurarea tensiunilor reziduale pentru bandajele roilor monobloc.Pentru msurarea tensiunii se poate folosi schema din figura 5.24.Diferena n timp a traversrii pulsului polarizat de-a lungul i perpendicular pe axa inei este proporional cu valoarea medie a tensiunii rezidualei textura materialului. Dac se cunosc 55anizotropia datorat texturii i influena tensiunii reziduale asupra timpului de parcurgere, valoarea tensiunii se calculeaz cu formula: P LP Lst tt tB B B+ + 210unde:B este anizotropia total acustic, Boeste anizotropia datorit texturii i tensiunii reziduale, Bs este tensiunea termic indus, tL i tP sunt timpul de parcurgere pentru direcia de polarizare longitudinal i respectiv perpendicular respectiv,

BsB B0, unde este tensiunea termic i B este o constant elasto-acustic pentru metoda birefrigenei. Fig. 5.24. Schema de msurare a birefrigenei acustice n ina de cale ferat Avantajul acestei metode este important din punct de vedere practic. Rezultatele sunt: independena de temperatur, folosirea unui dispozitiv (cap) simplu de generare i detectare aundelor ultrasonice. Dispozitivul este cuplat cu uurin n partea superioar a inei i msurarea poate fi efectuat pe in la nlimi diferite. Un alt mod de abordare este acela care se refer la folosirea propagrii longitudinale a undelor de-a lungul inei. Schema msurrii este artat n figua 5.25.56Avantajul acestei tehnici esteacelacexistposibilitateamsurrii timpului depropagarea pulsului ultrasonic pe o distan mic. Din pcate vitezaundei longitudinale de-a lungul inei este influenat de numeroi ali factori. Acetia sunt:tensiunea rezidual, compoziiachimicamaterialului, texturamaterialului itemperatura. Aceasta face ca folosind numai aceastmetodssepoatmsura dect valoarea absolut a forei longitudinale. Uneori folosind aceast und se pot msura uor variaiile tensiunilor reziduale n locaii alese. Pentruolocaiedat peinsepoateconsideracproprietileacusticealematerialului sunt constante. Tensiunea rezidualeste, deasemenea, constant, iar factorii careinflueneaztimpul depropagaresunt temperatura i tensiunea longitudinal din in. Variaiile timpului de propagare cauzate de variaia temperaturii pot fi determinate numai la temperatura camerei pentru un sistem de msurarea dat. Pentru a evita influena deformaiilor plastice datorit contactului roat-in asupra rezultatelor, msurrile ar trebui efectuate n zona n care suprafaa nu este afectat de roat. Aceasta poate fi zona superioar din exteriorul inei i aici seobservc, pentruoundcufrecvenade2MHz, peodistande500mm, pulsul este nemodificat. Variaiile tensiunii reziduale, sunt de 10 MPa, iar timpul de propagare 10 ns.Deformaiile plastice pe suprafaa de rulare au ca rezultat variaia tensiunilor reziduale. Msurrile realizate n laborator pe ine de cale ferat supuse rulrii pe un stand experimental, arat faptul c deformaiile plastice au o influen neglijabil asupra timpului de propagare a undelor longitudinale de-a lungul zonei exterioare superioare a inei.57Fig. 5.25. Propagarea longitudinal a undelor Msurareabirefrigenei acusticenine.Figura5.26prezintdependeneledintretimpul de propagare a undelor polarizate de-a lungul i perpendicular pe axa inei i tensiunile longitudinale aplicatepein. Msurrileau fost efectuate pe o prob din in de cale ferat i a fost supus la compresiune. Capul de lucru echipat cu un traductor piezo-electricde 4MHz, 10x10 mm a fost poziionat pe suprafaa de contact a inei. Diferena dintre timpul de propagare pentru cele dou unde rezultat la o tensiune rezidual de 10 MPa aplicat inei este de aproximativ 7,8 ns. Prinpropagareaundelor dela suprafaasuperioar, derulare, ctre suprafaa inferioar a inei sepoateconsideracinfluena tensiunii reziduale, prezentat n figura 5.23, asupra birefrigenei acustice, va fi minim. Aceast concluzie a fost obinut n urma testrii pe dou probe de in. Birefrigena acustic msurat pe o in nou, cu tensiune rezidual,i pe una dup aplicarea unui tratament de revenire, a fost, practic, asemntoare.Experimentele realizate pe diverse probe, ce aparin aceleeai ine noi, arat c birefrigena acustic msurat nu este repetabil. Experimentele realizate pe ine folosite arat faptul c citirile au fost puternic afectate de geometria suprafeei de rulare. Roile determin la contactul cu inele deformaii plastice pe straturi subiri de material i, mai mult, suprafaa de rulare poate fi curbat i nu-i menine paralelismul fa de suprafaa de baz a inei. Aceste variaii ale geometriei roii au ca efect variaii ale direciei de propagare a undelor n straturile subiri de la suprafaa inei. Testrile realizate cu traductoare de mrimi diferite i unde cu frecvene diferite pentru a produce fascicule ultrasonice nguste i a elimina influena reflexiei nu au avut succes. 58Fig. 5.26. Timpul de propagare n raport cu tensiunea longitudinal[] und polarizat paralel n raport cu direcia tensiunii---o--- und polarizat perpendicular n raport cu direciatensiuniiConcluzionnd, s-a gsit c aceast tehnic nu poate fi aplicat pentru inele n folosin, acolo unde suprafaa de rulare este deformat.Rezultate bune au fost obinute prin plasarea emitorului pe suprafaa superioar a inei, respectiva receptoruluilabazainei. Dar i n acest caz pot apare dificultide poziionare a receptorului, deoarece partea inferioar ainei (bazaacesteia) esteacoperit cubalast, este ruginit i, bineneles, nu este vizibil.Msurarea cu unde longitudinale de subsuprafa.n acest caz distana pe care s-a msurat timpul de propagare a fost de aproximativ 450 mm, probele fiind tensionate pe main.Constanta elastoacustic poate fi calculat, n acest caz, cu relaia:[ ]1 0 MPatt tss,,unde ts and to sunt timpii de propagare n condiiile existenei tensiunii i respectiv fr existena tensiunilor reziduale, iar este tensiunea de ncercare. Pentruinatestat, s-aobinut125 1 MPa , .Pentruacest caz, corespunztor unei tensiuni rezidualede10MPa, timpul depropagareesteaproximativde10ns. Aceastanseamnc folosind unde propagate pe subsuprafa pe o distan de 450 mm, timpul de propagare datorit tensiunilor este mai mare dect n cazul folosirii metodei birefrigenei acustice. Experimentrile au fost efectuate cu un multitraductor echipat cu traductoare piezoelectrice de 2MHz. Aplicarea ctorva traductoare de-a lungul unei linii poate reduce semnificativ influena nedorit a rugozitii suprafeei inei asupra timpului de propagare msurat.Se pot folosi dispozitive portabile de msurat tensiunile termice n funcie de temperatura inei. Dac se consider temperatura neutr a inei de 22C, panta dreptei de variaie tensiune-temperatur este de la 1,9...2,6 MPa/C, n funcie de locul n care s-au efectuat msurtorile, dar i de ali factori care pot influena starea de tensiune.Se pot trasa curbe de variaie a tensiunii n timpul reparrii ci de rulare. Aceasta presupune decuparea (tierea) unei piese de dimensiuni mici i apoi sudarea acesteia de bucata rmas. Scopul este reducerea forei de compresiune. Se reduce n urma executrii acestor operaii 59tensiuneadecompresiunecuovaloaremediede43MPa. Acesteinfluenesepot datorai influenei temperaturii inei, dar i poziiei n care se afl ina (la soare sau la umbr).n baza rezultatelor obinute pentru experimentrilor redate mai sus, pot fi extrase cteva concluzii:-folosind aparate portabile de dimensiunimici, uoare, echipate cu multitraductoare pentru unde longitudinale de subsuprafa, este posibil monitorizarea variaiei tensiunilor reziduale ce apar la inele sudate continuu. Msurrile sunt destul de sigure i pot fi efectuate fr dereglarea traficului. Fiecare msurtoare poate ajuta la controlarea forelor n seciunea cii de rulare unde apar tensiuni longitudinale datorit deplasrii inelor, schimbrilor de temperatur saualtor factori;-aparatele dotate cu multitraductoare piezoelectrice minimizeaz influena rugozitii suprafeei de rulare a inelor asupra citirilor i msurtorilor i pot fi repetate n locaii alese fr a pierde timp cu pregtirea inei; -trebuieadugat faptul cevaluareaforelor lainelesudatecontinuu, avndlabaznumai temperatura inei, nu este suficient de precis i tensiunile termice depind nu numai de temperatur dar i de locaia aleas pe calea de rulare.7. Studiul tensiunilor la inele decale prin metoda distructiva cu rozeta tensiometrica60ThecityofTimioaraislocatedinthesouth-westRomania`sside,closelytotheborderwith SerbiaandHungary. Themainpublic transport operator in the city of Timisoara is thePublic Transport Administration Timioara (R.A.T.T.) which continues a tradition of 130 years. Nowadays, R.A.T.T. provides 57,7% of the city`s transportation, which means 52 millions people transported a year. The tram line network passes through narrow streets covering a distance of 90,2km. Theswampysoil is inadequatefor anundergroundtransportation, sothesurface transportation is prevalent. Some of the railroads have a very old design .During the last years, the wear of the rail and the level of noise strongly increased.2. WORKING PROCEDURETheexperimentalstraingagemethod consists in drilling the railroad in different areas (head, basement and core of the rail profile).Usually the hole diameter is of 6 mm and the depth is 9 mm. The bending capacity of the railroad is not adulterated after the drilling procedure and it can be kept inservice. Asaconsequenceofthedrillingprocess, theresidual surfacestressesvanish around the hole, the deformations on three directions are measured with a 3/120 rosette transducer andthevaluesof thepreviousresidual stresseswill becalculatedusingaspecial software. In figure 1 you can see : 2a-the hole diameter;r-the radial stress;tthe circumferencestress;1-themainmaximumstress;2-themainminimumstress; r-theradial distancebetweenthecenter oftheholeandthepoint ofinterest;-thecentral angle. Fora 61referenceplatewithoutanyhole(a=0),theradial andcircumferencestressesare, (Heymann,1986), (Mocanu et al,1985):r`=21(1+2)+21(1-2) cos 2 (1) `=21(1+2)-21(1-2) cos 2 (2) As a consequence of the drilling process, the residual surface stresses vanish around the hole and the deformations on three directions are measured with a 3/1200 rosette transducer (figure 1).Fig.1. The 3/1200rosette strain gage transducerFig. 2. The location of the rosette (triple) strain gage transducersThe deformations vary as it follows :r-=-E + 1 (1+2) 22ra+ E + 1 (1-2) (-222ra+344ra) cos 2 (3)Themainstresses1,2andthecentral anglemust beestimated. So, thestateof surface stresses will be completely defined.For that purpose, the deformations on the three directions are experimentally measured:a=EA (1+2)+EB(1-2) cos 2(4) 62b=EA (1+2)+EB(1-2) cos 2(+135) (5)c=EA (1+2)+EB(1-2) cos 2(-135)(6) where A andB are measurement constant values; E-Young`s modulus.The values of the previous residual stresses (1-maximum stress;2-minimum stress ) will be calculated using a special software:1=AE4(b+c)+BE4[(2a-b-c)2+(c-b)2]1/2(7)2=AE4(b+c) -BE4[(2a-b-c)2+(c-b)2]1/2 (8)

tg 2 =c b ab c 2 (9) 3. RESULTS

Some experimental results ( for the location of the rosette transducers in figure 2 ) are presented in table1. Themeasuredvaluesof deformations andthecalculatedvaluesof themainsurface stresses are shown in the table :Table 1a[m/m]b[m/m]c[m/m]2[MPa]1[MPa]45 170 175 155 185-288 -300 -250 215 230-225 -35 -80 -15 10070 125 30 -65 -5563180 365 230 -250 -165230 405 310 -280 -210-190 220 -270 -175 -110-495 -190 -255 -270 -255150 170 75 -200 -50-140 120 -40 -80 -30-25 -40 45 -50 204. CONCLUSIONS The values of the residual main stresses in the rail cover a stress range between 280 MPa and 230 MPa. The state of stress due to the vehicle loading will be superimposed on the residual state of stress. The location of the extreme values of the maximum and minimum main stresses is on the rail head surface. High stress values and faults or cracks located in the same region may lead to dangerous effects on the safety and comfort of the passengers,( Safta et al, 1986) . In order to remove in depth the points of maximum stresses from the lateral rail head surface, the lubricationmaintenanceprocedureisusuallyused. Amobilelubricationpush-cart ensuresthe lateral lubrication of the linear portions of railroads on a distance of200 meters. The device will be assembled on the front side of the experimental tram maintenance vehicle.In association with the level of stresses, the proposed maintenance inspections include a periodical combined strain gage measurements and an ultrasonic procedure (in order to detect the cracks) every 6 months in different points on the route, especially the high crowded traffic areas. In order not to disturb the tram-traffic, these inspections are usually performed at night. Because of the highamount ofmeasureddata,special automatedmeasuringwagonshavebeenintroducedin order to inspect portions of20-40 km of rail.The rectification procedure of the rail head is allowed until a distance of 5 mm from the standard profile, becauseofsafetyreasons. Thederailment coefficient at thewheel-rail contact (which means the ratio between the guidance lateral force from the rail and the vertical force on the wheel ) must be less than 1,2-1,3. , (Ghita, 1998),( Ghita & Turos ,2006).From financial reasons,therectification and the lubrication are performed first. However, the safety measures impose the replacement of the railroad whenever the residual stresses reach 250 MPa and thecracks are longer than 1 mm.64Theproposedmethodispreferredbecausethat isahalf-destructivemethod,but thebending capacity of the rail is not adulterated after the drilling procedure.Theultrasoniccrackanalysis maybeperformedwithaportableultrasoniccrackdetector ,a lightweight, compact and handy-portable flaw detector designed for use on large workpieces and in high-resolution measurements, (*** USM 25,2001).Turnarea continua a sinelor The principle of continuous casting, which is at present used by most of the steel works, is annotatedin Figure 10.6. The liquid steel is supplied in a 150 - 350 tonne ladle which is placed in a turret. Thisturret can contain 2 ladles to practice sequencing of ladles. When the molten steel is poured from theladle into the tundish the next ladle can be prepared.In this way teeming may proceed continuously. Figure 10.6: Principle of a ContinuousCasting machine (Thyssen)65Figure 10.7: Some pictures of the continuous casting processFigure 10.7 shows some pictures of a continuous casting facility. The liquid steel is cast from the ladleinto the tundish using submerged pouring techniques. Metering nozzles are used to deliver preciselythe right amount of steel to the 6 to 8 moulds.66Figure 10.8: Hot strands passing through cooling chambersin a circular arcAll steel is protected from atmospheric oxidation by refractory tubes between ladle and tundish, andalso between tundish and mould. The doublewalled moulds are water-cooled. They shape the strands and may have different cross-sections.Thyssen [18], for example, uses mould sections of 265 x 385 mm. The mould corners are chamferedto prevent corner cracking. The amount of super-heat contained in the liquid steel has a profound effect upon the internal metallurgical quality of the cast bloom. The liquid steel temperature in the tundish is therefore maintained within the range liquidus plus 15 C. During casting the moulds oscillate with a frequency of 60 - 200 cycles per minute, depending on casting speed and oscillation stroke, to prevent the steel from adhering to the copper mould. The casting speed amounts to about 0.8 m/min. To improve the solidification structure the strands are equipped with electromagnetic stirring coils. 67