Che cosa è la deformazione da creep? Cause e precauzioni

Fatica o deformazione da creep

Essendo un ingegnere o un produttore, non sei estraneo al comportamento dei materiali. Sai, i materiali spesso si deformano. Potresti avere a che fare con problemi regolarmente. Sai cosa causa questi comportamenti? È deformazione da scorrimentoQuindi, è importante capire cos'è la deformazione da creep e come evitare che si verifichi inaspettatamente.

Il creep è un processo subdolo che di solito avviene nel tempo. Il suo cambiamento è graduale. Spesso colpisce metalli come acciaio e polimeri. Questa lenta e continua deformazione può coglierti di sorpresa. Tuttavia, con la giusta conoscenza, puoi stargli dietro.

Inoltre, la lettura e l'interpretazione di un grafico di scorrimento è una delle competenze più importanti da sviluppare. Approfondiamo la deformazione da creep, cos'è e come evitarla.

Che cosa è la deformazione da creep?

Effetto di deformazione da creep

La deformazione da creep è un fenomeno graduale. Si verifica quando un materiale è sottoposto a stress costante nel tempo, a differenza della distorsione meccanica. Potrebbe non essere immediatamente evidente, ma può comunque causare il cedimento del materiale. La sua formazione si basa sulle proprietà del materiale, sulla temperatura, sull'uso e sulle condizioni di stress.

Immagina un lavoratore che mette la sua borraccia metallica nell'area più bassa dello zaino contenente i suoi attrezzi. Questo oggetto rimane nascosto sotto altri attrezzi per tutto il giorno. La borraccia aveva un aspetto normale quando era nuova, ma tende a deformarsi durante il periodo di utilizzo. Il tappo e le parti inferiori dell'oggetto metallico possono cambiare la loro forma originale. Il processo di piegatura si sviluppa gradualmente senza alcuna trasformazione improvvisa o immediata. Il metallo diventa gradualmente morbido quando sottoposto a pressione continua da attrezzi pesanti e contenuti liquidi. 

Segnali di deformazione da creep

Segnali di deformazione da creep

Rilevando in anticipo i segnali di deformazione è possibile prevenire la deformazione del materiale. Lo scorrimento viscoso si verifica in molti tipi di materiali quando vengono sottoposti e sostenuti a forti sollecitazioni. Generalmente, lega d'acciaio subisce una deformazione da creep a temperature superiori al 40% del suo punto di fusione. 

Il calcestruzzo presenta caratteristiche distinte da tutti gli altri materiali da costruzione. La funzione di base nella progettazione della miscela di calcestruzzo dipende dalla proporzione del contenuto di aggregati. Il processo di formazione del danno da creep include cambiamenti di temperatura insieme ai livelli di stress del materiale. Lo sviluppo prolungato danneggia in modo permanente gli elementi di costruzione in calcestruzzo e le loro caratteristiche superficiali.

Il fenomeno dello scorrimento e della deformazione solitamente colpisce polimeri, nylon, ABS, polietilene e molti altri materiali (Ottieni maggiori informazioni su diversi Tipi di plastica per lavorazione CNC). Le superleghe rappresentano un metodo efficace per impedire che si verifichi l'effetto creep. Inoltre, i materiali di grado ingegneristico dimostrano una resistenza superiore alla deformazione da creep perché conservano le loro capacità di resistenza in condizioni di alta pressione.

L'insidia nella stampa 3D

Effetto di surriscaldamento nella stampa 3D

Lo scorrimento non è un problema solo nella produzione tradizionale. È qualcosa che spesso si incontra anche nella stampa 3D. Nella stampa FDM, la deformazione da scorrimento deriva dal rilassamento viscoelastico sotto carico, spostando le loro catene molecolari. 

Un altro problema è il creep termico. Questo accade quando il calore sale bruscamente lungo l'oggetto stampato. Quando il materiale si riscalda, provoca una deformazione, in particolare quando il calore raggiunge aree che non intendevi raggiungere.

Che cosa è il tasso di creep in stato stazionario?

Tasso di creep allo stato stazionario

Nel tempo, i materiali creeping rispondono allo stress in diverse fasi. La velocità di creep in stato stazionario è una fase critica. Durante questa fase, il materiale mostra una distorsione uniforme e mantiene una velocità di variazione costante senza aumentare o diminuire.

Il materiale ha terminato la sua fase di creep rapido, che ha dato inizio al processo. Ora mantiene un equilibrio e una velocità di cambiamento stabile. Il movimento lento e costante in questa fase causerà probabilmente il cedimento del materiale quando lo stress persiste nel tempo.

Ad esempio, un tubo metallico in una caldaia ad alta temperatura è sottoposto a una pressione interna costante. A causa dello scorrimento viscoso in stato stazionario, si allungherà gradualmente nel corso degli anni, portando infine alla rottura. Quando il materiale subisce uno stress continuo nella fase in stato stazionario, potrebbe essere ulteriormente soggetto a rottura.

Quali sono le fasi tipiche dello scorrimento viscoso?

Fasi della deformazione da creep

La deformazione da creep solitamente avviene in fasi. Ogni fase vi dice qualcosa di importante su come cambia il comportamento del materiale. Analizziamo queste fasi per darvi un quadro più chiaro del processo:

Fase primaria (creep transitorio)

Questa è la prima fase dopo che un carico è stato applicato al materiale. Il materiale subisce un fase elastica. Durante questa fase, la velocità di scorrimento rallenta. Il materiale inizia a subire incrudimentoIn parole più semplici, si indurisce sotto pressione, rendendo la deformazione inizialmente meno rapida.

Fase secondaria (creep allo stato stazionario)

Una volta che il materiale ha superato la fase primaria, entra nella fase secondaria, chiamato scorrimento in stato stazionario. Questa fase è la più prolungata di creep. Il materiale continua a deformarsi, ma lo fa a una velocità più costante. Qui, il materiale inizia ad ammorbidirsi, il che aiuta il processo di deformazione a continuare. Bisogna prestare molta attenzione a questa fase perché fornisce dati preziosi quando si progettano strutture o materiali sottoposti a stress a lungo termine.

Fase terziaria

La fase finale dello scorrimento è quando le cose iniziano a scatenarsi. È qui che la struttura interna del materiale si rompe e si verificano guasti. In questa fase, la struttura interna vuoti, micro-fessure, e la separazione del confini del grano può formarsi, portando alla rottura. Il materiale non può più sopportare lo stress e il cedimento diventa inevitabile nel tempo.

Tipi di deformazione da creep

Lo scorrimento non è un processo unico per tutti. Durante lo scorrimento si verificano meccanismi diversi, che coinvolgono più processi distintivi che richiedono condizioni specifiche per essere attivati. Gli scorrimento principali si manifestano in tre forme primarie di deformazione. Spieghiamo.

Nabarro-Aringa Creep

Effetto strisciante Nabarro-Herring

Il funzionamento ad alta temperatura combinato con stress minimo porta allo sviluppo della deformazione da creep di Nabarro-Herring. Gli atomi del reticolo cristallino del materiale iniziano a muoversi quando la temperatura aumenta. Gli atomi possono muoversi liberamente attraverso la struttura del materiale. La struttura contiene quindi nuovi spazi vuoti. La dimensione primaria dei grani determina la velocità alla quale i materiali si deformano attraverso il creep. I grani di dimensioni inferiori mostreranno velocità di deformazione più elevate.

Scorrimento del polimero

I materiali polimerici sono più suscettibili al creep durante stress elevato e temperature elevate. Esibiscono tali comportamenti a temperature elevate e a temperatura ambiente. Il fattore principale che porta al creep del polimero emerge dai movimenti di scorrimento della catena polimerica. Colpisce principalmente i polimeri amorfi rispetto ai polimeri cristallini. (Per saperne di più , il proprietà chimiche del nylon)

Creep di dislocazione

Creep di dislocazione

In questa fase di creep, gli atomi del materiale spostano le loro posizioni attraverso il movimento di scivolamento o di salita delle dislocazioni. Il creep di legge di potenza descrive il movimento atomico attraverso spostamenti orizzontali o verticali. Genera delle lacune che determinano la deformazione del materiale. Il materiale subisce una deformazione graduale perché le dislocazioni si muovono attraverso la sua struttura.

Coble Creep

Effetto strisciante Coble

Il creep del coble avviene in condizioni di temperatura più basse rispetto ad altri tipi di deformazione del materiale. Invece dell'area effettiva del grano, i confini del grano sono la posizione primaria per questo tipo di distorsione del materiale. I confini all'interno del materiale si spostano perpendicolarmente alla forza di stress che li ha innescati per sviluppare il creep.

Creep di trascinamento del soluto

Alcuni materiali comprendono componenti in lega resistente che subiscono deformazioni attraverso il meccanismo di trascinamento del soluto. Le alte temperature portano alla deformazione atomica nel materiale del soluto. Ciò sviluppa un guasto meccanico e porta a gravi danni al materiale.

Il mostro di Harper-Dorn

Il mostro di Harper-Dorn (HD)

Il meccanismo di dislocazione alla base di questo tipo di creep differisce da altri casi di creep di dislocazione. Durante il creep Harper-Dorn, la velocità di deformazione rimane principalmente non influenzata dalle variazioni delle dimensioni dei grani. Per sperimentare questo tipo di creep, il materiale deve essere puro al 99.95% e comprendere grandi dimensioni dei grani superiori a 0.5 mm. Inoltre, il creep deve avere una bassa densità di dislocazioni affinché diventi evidente. La combinazione di livelli di stress e temperature nell'intervallo dal 35% al ​​60% del punto di fusione consente l'attivazione del creep Harper-Dorn.

Sollecitazione limite di sinterizzazione

Il processo di legame delle particelle di materiale tramite riscaldamento determina la deposizione per creep durante le operazioni di sinterizzazione. Quando la temperatura del materiale aumenta e i pori interparticellari si riducono di dimensioni, la densità del materiale aumenta. Il creep si verifica sul materiale quando i pori smettono di restringersi mentre il materiale si avvicina alla sua soglia di densità. Lo stress a questo punto porta al creep.

Riepilogo tabella

Come la deformazione da creep influisce sui materiali ingegneristici

Scopriamo come lo scorrimento viscoso influisce sui materiali ingegneristici.

Deformazione di scorrimento

Comportamento di scorrimento nelle materie plastiche

Di solito, i materiali termoplastici subiscono una deformazione da creep attraverso una lenta alterazione dimensionale dovuta a stress costante che si accumula nel tempo. La transizione avviene nel tempo, quindi di solito non viene rilevata. Le parti metalliche si deformano gradualmente sotto pressione a lungo termine, in modo simile a come una parte metallica si piega lentamente.

Scorrimento dei confini del grano

Scorrimento dei confini del grano

I bordi a bassa densità collegano minuscoli cristalli nel materiale. Il materiale diventa più debole a causa della rottura dei suoi confini durante gli eventi di creep. Quando la pressione continua ad aumentare, si sviluppa spazio tra le sue sezioni.

Incrudimento da sforzo

Un materiale acquisisce tenacità in seguito a processi di stiramento o deformazione tramite incrudimento. Durante la parte iniziale del periodo di creep primario, i materiali dimostrano elevata resistenza quando sottoposti a stress. Quindi, diventano progressivamente più rigidi quando si ripete la piegatura del filo lungo la sua lunghezza.

Offerte di lavoro

Un materiale ha delle lacune quando ha dei punti vuoti. Qui, gli atomi esistono nella sua struttura. Gli atomi acquisiscono mobilità durante lo scorrimento, che produce spazi vuoti tra le loro posizioni. I buchi iniziano a svilupparsi tra gli individui mentre aggiustano le loro posizioni.

Come prevenire la deformazione da scorrimento?

La prevenzione dello scorrimento richiede la conoscenza di come i diversi materiali avanzano attraverso le loro fasi di scorrimento. Monitorare la fase di transizione secondaria dei materiali consente di scegliere i materiali appropriati per un lavoro.

I materiali senza grani direzionalmente fusi sono più resistenti alla deformazione indotta da stress. Le superleghe e i materiali rinforzati con dispersione sono scelte eccellenti in quanto presentano una resistenza allo scorrimento superiore rispetto ad altri materiali.

I materiali a grana fine (ad esempio, le superleghe) migliorano la resistenza allo scorrimento viscoso rafforzando i confini dei grani. Nel frattempo, i materiali ad alto punto di fusione rimangono intatti durante le temperature estreme e non si deformano facilmente a causa degli effetti dello scorrimento viscoso.

Inoltre, il controllo della temperatura può anche aiutare a resistere allo scorrimento viscoso. Le temperature fredde applicate al materiale ne prolungano la resistenza, ritardando l'inizio dello scorrimento viscoso.

Deformazione da creep nell'acciaio inossidabile 316FR durante la lavorazione

Equazione creep-fatica per acciaio inossidabile 316

L'analisi ha esaminato come gli ambienti di sodio influenzano l'acciaio inossidabile 316FR sottoposto a processi di carburazione. Questo processo si applica ai componenti realizzati durante la lavorazione. Questi componenti sono stati successivamente utilizzati in Reattori autofertilizzanti velociGli esperimenti eseguiti a 550 ° C le condizioni del sodio riproducono le impostazioni operative dei reattori attuali. 

Lo studio ha mostrato i seguenti punti conclusivi. Il comportamento del materiale è stato osservato nel periodo di prova essenziale appena prima dell'inizio della procedura di creep. Il ricercatore ha applicato uno stress superiore allo stress di snervamento durante l'esecuzione di questa fase di prova. Gli analisti della ricerca mantengono una forza costante durante il secondo periodo sperimentale per la valutazione del comportamento di creep. Il progetto sperimentale ha richiesto la considerazione del restringimento dell'area del materiale poiché ha causato un aumento dello stress.

Durante il processo di carburazione, le alterazioni del materiale penetravano con il carbonio. Hanno osservato che il materiale diventava più forte prima che il suo tasso di deformazione da creep diminuisse gradualmente. La superficie verso l'esterno del materiale mostra una penetrazione del carbonio più rapida durante la carburazione. Le aree di concentrazione di stress si formano a causa di queste condizioni, con conseguenti crepe nel materiale.

Un processo di valutazione sistematica nel modello consente ai ricercatori di calcolare le condizioni che determinano la rottura del materiale. A livelli di stress inferiori, il materiale ha subito più fratture da danno da creep rispetto a livelli di stress più elevati, il che ha influenzato principalmente la resistenza alla trazione.

In condizioni di laboratorio con soluzione di sodio ad alti livelli di stress, il materiale ha mostrato una ridotta aspettativa di vita rispetto ai test in aria. La durata dell'esposizione al sodio del materiale era equivalente o leggermente superiore ai periodi di esposizione all'aria a livelli di stress inferiori alle condizioni atmosferiche. I test sperimentali indicano che le proprietà del materiale sono rimaste principalmente inalterate dai trattamenti di carburazione a 550 °C.

Approccio pratico per prevenire lo scorrimento durante la lavorazione

Prevenzione dello scorrimento nella lavorazione

L'analisi degli elementi finiti (FEA) dovrebbe essere utilizzata per lavorazione acciaio personalizzata parti soggette a lavorazione. Aiuta a simulare la risposta del materiale in condizioni di stress e temperatura. 

Inoltre, aiuta a prevenire lo scorrimento viscoso. Consente agli ingegneri di rilevare in anticipo i futuri problemi di scorrimento viscoso. Inoltre, è possibile selezionare materiali ottimali per forme di componenti migliori.

Il monitoraggio in tempo reale della macchina è un altro approccio per migliorare l'efficienza della lavorazione CNC. Regolazione velocità di avanzamento e le procedure di raffreddamento aiutano i produttori a evitare lo scorrimento. L'ottimizzazione del percorso utensile e le condizioni di lavorazione ottimali possono ridurre al minimo la quantità di deformazione da scorrimento del 30%. (Per saperne di più Lavorazione CNC a 5 assi)

Punti chiave 

Un materiale soggetto a creep meccanico subirà una deformazione ad alte temperature superiori al 40% del suo punto di fusione, mentre si trova sotto stress prossimo allo snervamento. Durante la deformazione da creep, il materiale sviluppa gradualmente una deformazione. Tuttavia, la formazione prevista potrebbe richiedere molti anni per raggiungere la distruzione.

Selezionare acciaio con punti di fusione più elevati per ridurre al minimo le possibilità di rottura per creep. Sotto sforzo di tensione, la combinazione di grani più grandi rallenta la deformazione per creep.

L'inizio del creep terziario si verifica quando lo stress effettivo supera lo stress di snervamento. Oppure quando l'alterazione della microstruttura del materiale, come la cavitazione, provoca fratture del materiale.

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FAQ

D1: Cos'è il creep e cosa lo causa?
Il creep è un lento processo di deformazione sotto stress costante. Si verifica quando i materiali sono esposti ad alte temperature. Anche uno stress prolungato vicino o superiore alla resistenza allo snervamento contribuisce al creep.

D2: Qual è un esempio di materiale viscoelastico?
L'acciaio e le superleghe sono tipici esempi di materiali che subiscono creep. Anche i polimeri come il nylon e il polietilene possono subire creep se esposti a stress e temperature elevate.

D3: Da cosa è causato più spesso lo creep?
Il creep è causato dall'esposizione prolungata ad alte temperature. Lo stress vicino o superiore alla resistenza allo snervamento del materiale accelera il creep nel tempo.

D4: Come si calcola la velocità di creep in stato stazionario?
Il creep rate in stato stazionario viene calcolato misurando la deformazione nel tempo. È espresso come la quantità di deformazione che si verifica per unità di tempo.

D5: Perché la lavorazione meccanica personalizzata dell'acciaio è fondamentale per la resistenza allo scorrimento?
Custom lavorazione dell'acciaio aiuta a controllare la dimensione del grano e la struttura del materiale. La resistenza allo scorrimento viscoso negli acciai dipende dalla lega (ad esempio, Cr, Mo), dal trattamento termico e dalla stabilizzazione del carburo, non solo dalla lavorazione.