En ciència de materials i mecànica de sòlids, les tensions residuals són tensions que romanen en un material sòlid després que s'hagi eliminat la causa original de les tensions. La tensió residual pot ser desitjable o no desitjable. Per exemple, el granallat làser imparteix tensions residuals de compressió profundes i beneficioses en components metàl·lics com ara les pales del ventilador del motor de la turbina, i s'utilitza en vidre temperat per permetre pantalles de vidre grans, primes i resistents a les esquerdes i les ratllades en telèfons intel·ligents. Tanmateix, la tensió residual no intencionada en una estructura dissenyada pot fer que falli prematurament. miniatura|La tensió residual en una secció estructural buida laminada fa que s'obri quan es talla amb una serra de cinta. Les tensions residuals poden ser el resultat de diversos mecanismes, com ara deformacions inelàstiques (plàstiques), gradients de temperatura (durant el cicle tèrmic) o canvis estructurals (transformació de fase). La calor de la soldadura pot causar una expansió localitzada, que s'absorbeix durant la soldadura, ja sigui pel metall fos o per la col·locació de les peces que es solden. Quan la soldadura acabada es refreda, algunes zones es refreden i es contrauen més que d'altres, deixant tensions residuals. Un altre exemple es produeix durant la fabricació de semiconductors i la fabricació de microsistemes quan es dipositen seqüencialment materials de pel·lícula fina amb diferents propietats tèrmiques i cristal·lines en diferents condicions de procés. La variació de tensions a través d'una pila de materials de pel·lícula fina pot ser molt complexa i pot variar entre tensions de compressió i de tracció d'una capa a una altra.
Aplicacions Tot i que les tensions residuals no controlades no són desitjables, alguns dissenys es basen en elles. En particular, els materials fràgils es poden endurir incloent-hi tensions residuals de compressió, com en el cas del vidre temperat i el formigó pretesat. El mecanisme predominant de fallada en materials fràgils és la fractura fràgil, que comença amb la formació inicial d'esquerdes. Quan s'aplica una tensió de tracció externa al material, les puntes de les esquerdes concentren la tensió, augmentant les tensions de tracció locals experimentades a les puntes de les esquerdes en una mesura més gran que la tensió mitjana sobre el material a granel. Això fa que l'esquerda inicial s'eixampli ràpidament (es propagui) a mesura que el material circumdant es veu superat per la concentració de tensions, cosa que provoca la fractura.
Un material amb tensió residual de compressió ajuda a prevenir la fractura fràgil perquè l'esquerda inicial es forma sota una tensió de compressió (tracció negativa). Per causar una fractura fràgil per propagació d'esquerdes de l'esquerda inicial, la tensió de tracció externa ha de superar la tensió residual de compressió abans que les puntes de les esquerdes experimentin una tensió de tracció suficient per propagar-se.
La fabricació d'algunes espases utilitza un gradient en la formació de martensita per produir talls particularment durs (en particular, la katana). La diferència en la tensió residual entre el tall més dur i el dors més tou de l'espasa dóna a aquestes espases la seva corba característica. miniatura|150x150px|Gotes del Príncep Rupert En el vidre temperat, s'indueixen tensions de compressió a la superfície del vidre, equilibrades per tensions de tracció al cos del vidre. A causa de la tensió de compressió residual a la superfície, el vidre temperat és més resistent a les esquerdes, però es trenca en petits fragments quan la superfície exterior es trenca. Una demostració de l'efecte es mostra amb la gota del príncep Rupert, una novetat en ciència de materials en què un glòbul de vidre fos es refreda en aigua: com que la superfície exterior es refreda i solidifica primer, quan el volum es refreda i solidifica, "vol" ocupar un volum més petit que el que la "pell" exterior ja ha definit; això posa gran part del volum en tensió, estirant la "pell" cap a dins, posant la "pell" en compressió. Com a resultat, el glòbul sòlid és extremadament resistent, capaç de ser colpejat amb un martell, però si la seva llarga cua es trenca, l'equilibri de forces es altera, fent que tota la peça es trenqui violentament.
En certs tipus de canons d'arma fets amb dos tubs forçats a unir-se, el tub interior es comprimeix mentre que el tub exterior s'estira, evitant que s'obrin esquerdes a l'estret quan es dispara l'arma.
Tensió residual de compressió Els mètodes habituals per induir tensions residuals de compressió són el granallat per a superfícies i el tractament d'impacte d'alta freqüència per a les puntes de soldadura. La profunditat de la tensió residual de compressió varia segons el mètode. Ambdós mètodes poden augmentar significativament la vida útil de les construccions. miniatura|Exemple d'un muntatge tractat amb HiFIT
Creació d'estrès residual Hi ha algunes tècniques que s'utilitzen per crear una tensió residual uniforme en una biga. Per exemple, la flexió de quatre punts permet inserir una tensió residual aplicant una càrrega sobre una biga mitjançant dos cilindres.
Tècniques de mesura miniatura|450x450px|Un diagrama que compara les tècniques de mesura de tensions residuals, que mostra l'escala de longitud de mesura, la penetració i el nivell de destrucció del component mesurat.
Visió general Hi ha moltes tècniques que s'utilitzen per mesurar les tensions residuals, que es classifiquen àmpliament en tècniques destructives, semidestructives i no destructives. La selecció de la tècnica depèn de la informació requerida i de la naturalesa de la mostra de mesura. Els factors inclouen la profunditat/penetració de la mesura (superfície o gruix), l'escala de longitud sobre la qual s'ha de mesurar (macroscòpica, mesoscòpica o microscòpica), la resolució de la informació requerida i també la geometria de la composició i la ubicació de la mostra. A més, algunes de les tècniques s'han de realitzar en instal·lacions de laboratori especialitzades, cosa que significa que les mesures "in situ" no són possibles per a totes les tècniques.
Tècniques destructives Les tècniques destructives provoquen canvis estructurals grans i irreparables a la mostra, cosa que significa que o bé no es pot tornar a posar en servei la mostra o bé s'ha d'utilitzar una maqueta o una peça de recanvi. Aquestes tècniques funcionen mitjançant un principi d'"alliberament de deformació"; es talla la mostra de mesura per relaxar les tensions residuals i després es mesura la forma deformada. Com que aquestes deformacions solen ser elàstiques, hi ha una relació lineal explotable entre la magnitud de la deformació i la magnitud de la tensió residual alliberadaG.S.Schajer Practical Residual Stress Measurement Methods. Wiley 2013, 7, . Les tècniques destructives inclouen:
Mètode de contorn:Los Alamos National Laboratory – Contour Method. Retrieved on 19 June 2014 mesura la tensió residual en una secció plana 2D a través d'una mostra, en una direcció uniaxial normal a una superfície tallada a través de la mostra amb electroerosió amb fil. Tall (conformitat de fissura):Los Alamos National Laboratory – Sltting Method. Retrieved on 19 June 2014 mesura la tensió residual a través del gruix d'una mostra, en una normal a una "fessura" de tall. Eliminació/Divisió/Superposició de blocsASTM E1928-13 Standard Practice for Estimating the Approximate Residual Circumferential Stress in Straight Thin-walled Tubing. Retrieved on 19 June 2014 L'avorriment de SachsVEQTER Ltd – Sach's Boring. Retrieved on 19 June 2014
Tècniques semidestructives De manera similar a les tècniques destructives, aquestes també funcionen utilitzant el principi d'"alliberament de tensió". Tanmateix, només eliminen una petita quantitat de material, deixant intacta la integritat general de l'estructura. Aquestes inclouen:
Perforació de forats profunds:VEQTER Ltd – Deep Hole Drilling. Retrieved on 19 June 2014 mesura les tensions residuals a través del gruix d'un component relaxant les tensions en un "nucli" que envolta un forat perforat de petit diàmetre. Perforació de forats centrals:G2MT Labs – Centre Hole Drilling . Retrieved on 22 Feb 2018 mesura les tensions residuals properes a la superfície mitjançant l'alliberament de deformació corresponent a un forat petit i poc profund perforat amb una roseta de mesurador de tensió. La perforació de forats centrals és adequada per a un màxim de 4 mm de profunditat. Alternativament, es pot utilitzar la perforació de forats cecs per a peces primes. La perforació de forats centrals també es pot realitzar in situ per a proves in situ. Nucli circularVEQTER Ltd – Ring Core. Retrieved on 19 June 2014 – similar a la perforació de forats centrals, però amb major penetració i amb el tall realitzat al voltant de la roseta del calibre de tensió en lloc de fer-ho a través del seu centre.
Tècniques no destructives Les tècniques no destructives mesuren els efectes de les relacions entre les tensions residuals i la seva acció sobre les propietats cristal·logràfiques del material mesurat. Algunes d'aquestes funcionen mesurant la difracció de la radiació electromagnètica d'alta freqüència a través de l'espaiat de la xarxa atòmica (que s'ha deformat a causa de la tensió) en relació amb una mostra sense tensió. Les tècniques ultrasòniques i magnètiques exploten les propietats acústiques i ferromagnètiques dels materials per realitzar mesures relatives de la tensió residual. Les tècniques no destructives inclouen:
Electromagnètic, també conegut com eStress: es pot utilitzar amb una àmplia gamma de dimensions i materials de mostra, amb una precisió similar a la de la difracció de neutrons. Hi ha sistemes portàtils disponibles com el sistema eStress, que es pot utilitzar per a mesures in situ o instal·lar-se permanentment per a la monitorització contínua. La velocitat de mesura és d'1 a 10 segons per ubicació. Difracció de neutrons: una tècnica provada que pot mesurar el gruix total però que requereix una font de neutrons (com un reactor nuclear). Difracció de sincrotró: requereix un sincrotró però proporciona dades igualment útils que els mètodes de difracció de neutrons i eStress. Difracció de raigs X: una tècnica superficial limitada amb una penetració de només uns pocs centenars de micres. Ultrasons: un procés experimental relativament nou i prometedor conegut des dels anys 70 i 80 del segle passat. Magnètic: es pot utilitzar amb dimensions de mostra molt limitades.
Alleujament de l'estrès residual Quan hi ha una tensió residual no desitjada d'operacions de treball del metall anteriors, la quantitat d'tensió residual es pot reduir mitjançant diversos mètodes. Aquests mètodes es poden classificar en mètodes tèrmics i mecànics (o no tèrmics). Tots els mètodes impliquen el processament de la peça que s'ha d'alleujar la tensió com un tot.
Mètode tèrmic El mètode tèrmic implica canviar la temperatura de tota la peça uniformement, ja sigui mitjançant escalfament o refredament. Quan les peces s'escalfen per alleujar l'estrès, el procés també es pot conèixer com a cocció per alleujar l'estrès. El refredament de les peces per alleujar l'estrès es coneix com a alleujament de l'estrès criogènic i és relativament poc freqüent.
Forn per alleujar l'estrès La majoria dels metalls, quan s'escalfen, experimenten una reducció del límit elàstic. Si el límit elàstic del material es redueix prou per escalfament, les ubicacions dins del material que han experimentat tensions residuals superiors al límit elàstic (en estat escalfat) cedirien o es deformarien. Això deixa el material amb tensions residuals que són com a màxim tan altes com el límit elàstic del material en el seu estat escalfat.