In quali condizioni il fenomeno del creep delle molle a torsione in acciaio inossidabile sarà più significativo?

Il creep è la deformazione plastica lenta e permanente di un materiale solido sottoposto a sollecitazioni costanti nel tempo. Per molle di torsione in acciaio inox , il creep si manifesta come una diminuzione graduale della coppia di ripristino (tecnicamente noto come rilassamento dello stress a deflessione costante) o un aumento continuo dell'angolo di deflessione a carico costante. Questo fenomeno influisce direttamente sulla precisione e sull'affidabilità a lungo termine della molla. Da un punto di vista professionale, la significativa presenza di creep nelle molle a torsione in acciaio inossidabile è influenzata principalmente dagli effetti sinergici dei seguenti tre fattori integrati.

1. Effetto della temperatura critica

La temperatura è il fattore principale che determina se lo scorrimento si verificherà in modo significativo. Anche se teoricamente il creep si verifica a qualsiasi temperatura, la sua velocità ha un impatto materiale sulle applicazioni ingegneristiche solo quando supera una soglia specifica.

Correlazione del punto di fusione: la teoria tradizionale dei materiali metallici suggerisce che lo scorrimento viscoso diventa tipicamente significativo intorno a 0,4 Tm​ al di sopra della temperatura di fusione assoluta del materiale. Gli acciai inossidabili (come la serie 300) hanno un punto di fusione più elevato, ma poiché il filo della molla è sottoposto a forti sollecitazioni, la temperatura effettiva alla quale si verifica lo scorrimento è molto più bassa.

Temperatura di servizio dell'acciaio inossidabile: in generale, la temperatura di servizio massima consigliata per una molla di torsione per acciai inossidabili austenitici standard (come SUS 304 o 302) è compresa tra circa 250°C e 300°C.

Quando la temperatura di esercizio è inferiore a 100°C, la velocità di scorrimento è estremamente bassa e può essere ignorata.

Quando la temperatura di lavoro supera i 150°C, soprattutto nell'intervallo compreso tra 200°C e 300°C, il movimento delle dislocazioni e la diffusione dei posti vacanti all'interno dell'acciaio inossidabile vengono attivati ​​dall'energia termica, accelerando la deformazione plastica e facendo sì che lo scorrimento diventi evidente.

2. L'effetto catalitico di elevati livelli di stress

Alle stesse condizioni di temperatura, i livelli di stress applicati sono la forza motrice principale che accelera lo scorrimento viscoso. Per le molle a torsione, questa sollecitazione si riferisce specificamente allo sforzo di flessione.

Sforzo e limite di snervamento: il creep è unico in quanto si verifica a livelli di stress molto inferiori al limite di snervamento del materiale. Tuttavia, più la sollecitazione si avvicina al limite elastico, maggiore è la velocità di scorrimento.

Progettazione della molla: quando si progetta una molla a torsione, se la sollecitazione massima di esercizio supera una percentuale critica del limite proporzionale del materiale in acciaio inossidabile (ad esempio, 60% o 70%), lo scorrimento può accumularsi per un periodo prolungato, generando una significativa instabilità dimensionale, anche a temperatura ambiente. Lo stress elevato fornisce l'energia di attivazione necessaria per superare la resistenza del reticolo, accelerando il verificarsi dello scorrimento da dislocazione.

Rilassamento dello stress: nelle applicazioni di deflessione costante, lo stress elevato porta direttamente ad un rilassamento accelerato dello stress. Questo rilassamento alla fine si manifesta come perdita di coppia, che è la ragione principale per cui la molla non può mantenere la sua funzione prevista.

3. Durata del carico sostenuto

Il creep è una tipica deformazione dipendente dal tempo. Più a lungo la molla rimane sotto carico, maggiore è la deformazione viscosa cumulativa.

Tre fasi di creep: il processo di creep è generalmente suddiviso in tre fasi:

Creep primario: la velocità di deformazione diminuisce gradualmente. Questa è la fase dominata dall'incrudimento quando la molla viene caricata per la prima volta.

Creep secondario: la velocità di deformazione rimane essenzialmente costante. Questa è una fase di equilibrio tra l'indurimento e l'ammorbidimento (cioè il recupero) e rappresenta la maggior parte della durata di servizio della molla.

Creep terziario: la velocità di deformazione aumenta notevolmente fino alla frattura. Nelle applicazioni pratiche delle molle di reazione questa fase generalmente non è consentita.

Carico statico a lungo termine: per le applicazioni di carico statico che richiedono il mantenimento di un angolo fisso per periodi prolungati, come le molle delle valvole o alcuni meccanismi di bloccaggio, il tempo è fondamentale. Anche a sollecitazioni e temperature relativamente basse, i carichi cumulativi nel corso di anni o addirittura decenni possono far sì che l'assetto permanente della molla superi le tolleranze.

4. Influenza della microstruttura del materiale

La microstruttura e il processo di produzione del filo di acciaio inossidabile hanno un'influenza decisiva sulla resistenza allo scorrimento viscoso.

Indurimento per lavorazione a freddo: il filo per molle in acciaio inossidabile viene generalmente sottoposto a un'elevata percentuale di trafilatura a freddo per ottenere un'elevata resistenza. L'elevata densità di dislocazioni introdotte dalla lavorazione a freddo migliora la resistenza al creep a temperatura ambiente. Tuttavia, con l’aumento della temperatura, queste dislocazioni possono iniziare a riprendersi, riducendo le prestazioni di rilassamento dello stress.

Indurimento per precipitazione: alcuni gradi di acciaio inossidabile ad alta resistenza (come l'acciaio inossidabile 17-7 PH) utilizzano un meccanismo di indurimento per precipitazione. Un trattamento termico e un invecchiamento adeguati possono formare precipitati fini, bloccando efficacemente le dislocazioni e migliorando significativamente la resistenza allo scorrimento a temperature elevate.