Alívio de tensões residuais por vibração ultrassónica

Abstract

A presente dissertação propõe o desenvolvimento de um método de caracterização para avaliar, de forma direta e quantitativa, a evolução de um estado de tensão residual desencadeada por um tratamento de mitigação de tensões, baseado em vibrações ultrassónicas. As tensões residuais exercem um impacto substancial no desempenho dos materiais cristalinos, afetando propriedades como a resistência mecânica, a resistência a solicitações de fadiga e a resistência à corrosão. Por conseguinte, deve-se procurar minimizar a introdução de tensões residuais durante o processamento dos componentes ou, na falta dessa flexibilidade industrial, mitigá las por meio de tratamentos adequados. A possibilidade de mitigar distribuições de tensões residuais através da aplicação de vibrações ultrassónicas é uma abordagem recentemente investigada que se apresenta como uma alternativa eficiente e promissora, capaz de competir com os tratamentos convencionais. Neste panorama, surge a necessidade de desenvolver métodos de caracterização que permitam avaliar adequadamente o efeito e o impacto que esta abordagem surte na mitigação de tensões residuais. O desenvolvimento e implementação de um método de caracterização eficaz, requer uma base teórica sólida, a fim de aproveitar plenamente as técnicas empregues. Por este motivo, realizou-se uma extensa pesquisa inicial para adquirir os conhecimentos necessários à compreensão dos princípios subjacentes à caracterização quantitativa do estado de tensão residual e respetiva evolução. O método concebido fundamenta-se em duas etapas distintas. Primeiramente, aplicam-se técnicas de difração de raios X para determinar o estado de tensão residual inicialmente instalado nas amostras em estudo. Posteriormente, na segunda etapa, utilizam-se extensómetros para monitorizar a variação do estado de tensão residual decorrente da aplicação do tratamento ultrassónico. Por fim, calcula-se o estado de tensão residual final, através da soma algébrica das variações de deformação, detetas por extensometria, com as componentes de deformação medidas por difração de raios X. A componente experimental do método de caracterização foi testada com sucesso num conjunto de seis amostras, sugerindo grande potencial de implementação em futuras investigações na área. Adicionalmente, identificaram-se durante essa fase pormenores que puderam ser otimizados, contribuindo, desta forma, para um refinamento do método proposto.

This dissertation proposes the development of a characterization method to directly and quantitatively assess the residual stress evolution resulting from a specific stress mitigation treatment based on ultrasonic vibrations. Residual stresses significantly affect the mechanical strength, corrosion resistance, and fatigue strength of crystal materials. Therefore, the introduction of residual stresses during component processing must be minimized or mitigated through proper treatments if the previous approach cannot be implemented. Recent studies on residual stress distributions mitigation through ultrasonic vibrations indicate efficient and promising results, thus emerging as an effective and competitive approach compared with other established technologies. These circumstances underscore the importance of developing specific characterization methods that are optimized to properly evaluate the impact and efficiency of this promising technique. The establishment and implementation of an effective characterization method requires a solid theoretical foundation to leverage the employed techniques thoroughly. Therefore, an extensive preliminary study was conducted to acquire essential knowledge for understanding the underlying principles of quantitatively characterizing the state and evolution of residual stresses. The proposed method integrates two distinct stages. First, the residual stress state, initially present in the studied samples, was evaluated using X-ray diffraction techniques. Subsequently, in the second stage, the residual stress state component variations resulting from the applied treatment were detected and monitored using strain gauge techniques. The final state of residual stress is evaluated by the algebraic summation of the strain variation components detected by strain gauges, with the residual strain components measured by X-ray diffraction. The experimental implementation of the characterization method was successfully implemented on a set of six samples, revealing great potential for future implementations in studies on this matter. Furthermore, the experimental phase provided the opportunity to tag details that could be optimized, thereby providing the refinement of the proposed method.