Studiul corelației dintre duritate și caracteristicile mecanice ale materialelor metalice [309175]

Capitolul 3

Studiul corelației dintre duritate și caracteristicile mecanice ale materialelor metalice

3.1 Informații generale privind caracteristicile mecanice ale materialelor metalice.

[anonimizat], sunt supuse în timpul utilizării la acțiunea unor încărcări mecanice exterioare. [anonimizat], iar piesele se deformează. [13]

[anonimizat]. [anonimizat], constând în solicitarea unor epruvete în condițiile adecvate evidențierii proprietăților urmărite. [anonimizat], care se pot utiliza ca parametri cantitativi de exprimare a proprietăților mecanice.

Elasticitatea și plasticitatea materialelor metalice.

Elasticitatea este proprietatea unui material de a se deforma sub acțiunea solicitărilor mecanice și de a [anonimizat]. S-a [anonimizat], [anonimizat].

Astfel, [anonimizat]-o tensiune normală σ (orientată după direcția forțelor exterioare care produc întinderea sau comprimarea monoaxialăa piesei) și legea lui Hooke care are următoarea formulare analitică:

σ=Eε,

ε fiind deformația specifică liniară(de natură elastică) a [anonimizat] σ. [anonimizat], starea de tensiuni generată în piesă este caracterizată numai print-o tensiune tangențială τ și legea lui Hooke are următoarea exprimare analitică:

τ=Gγ,

γ fiind lunecarea specifică (de natură elastică) a [anonimizat] τ.

Factorii de proporționalitate E și G, care intervin în formulările particulare (expuse anterior) [anonimizat] (constante) [anonimizat] a se opune acțiunii de deformare elastică exercitate de solicitările mecanice exterioare; caracteristica E [anonimizat] G–modul de elasticitate transversală. [anonimizat] E și G, oricare ar fi complexitatea stărilor de tensiuni mecanice care produc deformațiile elastice.

Deformarea elastică a cristalelor care alcătuiesc structura pieselor metalice se realizează prin modificarea distanțelor interatomice și schimbarea parametrilor structurii cristaline. Deformarea elastică a materialelor metalice cu structură policristalină se realizează prin deformarea cristalelor componente conform mecanismului anterior prezentat.

Comportarea la deformare și valorile caracteristicilor elastice (E și G) ale materialelor metalice policristaline sunt determinate în principal de natura și intensitatea forțelor de legătură dintre atomii care alcătuiesc cristalele (dependente de compoziția chimică a materialului, de tipul și de parametrii structurii sale cristaline) și sunt influențate în măsură nesemnificativă de factorii structurali modificabili prin prelucrări tehnologice, cum ar fi forma și dimensiunile cristalelor, tipul și densitatea imperfecțiunilor structurii cristaline (dislocații, limite de cristale, limite de subcristale etc.).

Încercarea la tracțiune a materialelor metalice.

Conform standardului 10002-1:2002, parte a ISO 6892, se stabilește metoda de încercare la tracțiune a materialelor metalice și definește caracteristicile mecanice care se pot determina la temperatura ambiantă.

Pentru aplicarea acestui standard, se vor aplica următoarele definții și termeni:

L – lungime între repere (lungimea porțiunii calibrate a epruvetei pe care se măsoară alungirea în orice moment al încercării).

L0 – lungime inițială între repere (lungimea L înainte de aplicarea forței, măsurată la temperatura ambiantă).

Lu – lungimea ultimă între repere (lungimea L după ruperea epruvetei, măsurată la temperatura ambiantă, cele două fragmente fiind potrivite cu grijă, astfel încât axele lor să fie aliniate).

Lc – lungime calibrată (lungimea porțiunii calibrate cu secțiune redusă a epruvetei).

Alungire – creșterea lungimii inițiale între repere în orice moment din timpul încercării.

Alungire procentuală – alungirea exprimată în procente din lungimea inițială între repere.

A – alungire procentuală după rupere (alungirea remanentă a lungimii între repere după rupere exprimată în procente din lungimea inițială între repere).

Le – lungimea de bază a extensometrului (lungimea de bază inițială a extensometrului utilizată pentru măsurarea alungirii cu un extensometru).

Extensie – creșterea lungimii de bază a extensometrului la un moment dat al încercării.

Extensie procentuală (deformare) – extensie exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului.

Extensie remanentă procentuală – creșterea lungimii de bază a extensometrului, după îndepărtarea forțelor specifice de pe epruvetă, exprimată ca procente din lungimea de bază a extensometrului.

Ae – extensie procentuală pe palierul limitei de curgere (pentru materialele care prezintă o curgere discontinuă, extensia între începutul curgerii și începutul ecruisării uniforme, exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.1). [14]

Agt – extensie procentuală sub forța maximă (extensia totală sub forță maximă, exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.2).

Ag – extensie plastică sub sarcină maximă, exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului (v. Fig. 3.2).

Z – coeficient de gâtuire (variația maximă a ariei secțiunii transversale produsă prin încercare (S0-Su) exprimată în procente din aria secțiunii inițiale S0.

Fm – forța maximă suportată de epruvetă pe parcursul încercării (v. Fig. 3.3a și Fig. 3.3b).

Efort unitar (tensiune) – forța raportată la aria secțiunii inițiale S0, a epruvetei, în orice moment al încercării.

Rm – rezistență la tracțiune (efortul unitar corespunzător forței maxime).

Limita de curgere aparentă – în timpul încercării, când materialul metalic prezintă un fenomen de curgere, se atinge un punct în care se produce o deformare plastică, aceasta continuând fara creșterea forței.

ReH – limita de curgere superioară (valoarea efortului unitar în momentul în care se observă prima scădere a forței v. Fig. 3.5). [6]

ReL – limita de curgere inferioară (valoarea cea mai mică a efortului unitar în timpul curgerii plastice v. Fig. 3.4).

Rp – limita de curgere convențională, extensie plastică (efortul unitar la care extensia plastică este egală cu un procentaj specificat din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.5).

Rt – limita de curgere convențională, extensie totală (efortul unitar la care extensia totală este egală cu un procentaj specificat din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.6).

Rr – limita de alungire remanentă (efortul unitar pentru care alungirea remanentă a lungimii inițiale între repere nu depășește valoarea prescrisă după înlăturarea forței).

Rupere – fenomenul care se produce când are loc separarea totală a epruvetei.

Această încercare constă în supunerea unei epruvete la o deformare de tracțiune, în general până la rupere, în vederea determinării uneia sau mai multor caracteristici definite anterior. Încercarea se va efectua la o temperatură ambiantă cuprinsă între 10°C și 35°C.

Epruvete. Forme și dimensiuni.

Forma și dimensiunile epruvetelor depind de forma și de dimensiunile produselor metalice din care sunt prelevate epruvetele.

Epruveta se obține în general prin prelucrarea unei probe dintr-un produs sau dintr-un material semifabricat turnat. Totuși, produsele cu secțiuni constante (profile, bare, sârme etc.) ca și epruvetele brute turnate (fonte, aliaje neferoase) pot fi supuse încercării fără a fi prelucrate (v. Fig. 3.7).

Secțiunea transversală a epruveteleor poate fi circulară, pătrată, dreptunghiulară, inelară sau în cazuri particulare cu o altă secțiune transversală uniformă. [4]

Epruvetele care se utilizează de preferință prezintă o relație directă între lungimea inițială între repere (L0) și suprafața inițială a secțiunii transversale (S0), exprimate prin relația:

Unde k – coeficient de proporționalitate și sunt numite epruvete proporționale. Valoarea coeficientului k utilizată pe plan internațional este 5,65. Lungimea inițială între repere nu trebuie să fie mai mică de 15mm. Când aria secțiunii transversale a epruvetei este prea mică, pentru ca această condiție să fie satisfăcută cu valoarea 5,65 a coeficientului k, se poate utiliza fie o valoare superioară a lui k, fie o epruvetă neproporțională.

În cazul epruvetelor neproporționale, lungimea inițială între repere L0 este luată independentde aria secțiunii inițiale S0.

Toleranțele la dimensiuni ale epruvetelor trebuie să fie conform anexelor de la B până la E, conform tabelului 3.1.

Epruvetele prelucrate trebuie să aibă o zonă de racordare între capetele de prindere și lungimea calibrată, când acestea sunt de dimensiuni diferite. Dimensiunile acestei zone pot fi importante și se recomandă ca ele să fie definite în specificațiile materialului dacă acestea nu sunt prezentate în anexa corespunzătoare (v. Tab. 3.1).

Capetele de prindere pot avea orice formă adaptată la dispozitivele de fixare ale mașinii de încercare. Axa epruvetei trebuie să coincidă cu axa de aplicare a forței. Lungimea calibrată (Lc) sau în cazul în care epruveta nu are zonă de racordare, lungimea liberă între capetele de prindere trebuie să fie întotdeauna superioară lungimii inițiale între repere (L0).

În cazul în care epruveta este construită dintr-un tronson neprelucrat de produs sau dintr-o bară de încercare neprelucrată, lungimea liberă între capetele de prindere trebuie să fie suficientă pentru ca reperele să fie la o distanță convenabilă față de aceste capete de prindere.

În cazul epruvetelor brute turnate, acestea trebuie să aibă o zonă de racordare între capetele de prindere și porțiunea calibrată. Dimensiunile acestei zone sunt importante și se recomandă ca ele să fie definite în standardul de produs. Capetele de prindere pot avea orice formă adaptată la dispozitivele de prindere ale mașinii de încercare. Lungimea calibrată (Lc), trebuie să fie întotdeauna mai mare decât lungimea inițială între repere (L0).

Determinarea rezistenței la tracțiune Rm, alungirii procentuale după rupere A, extensiei totale procentuale la forță maximă Agt, extensiei plastice procentuale la forță maximă Ag și a coeficientului de gâtuire Z.

După determinarea caracteristicilor cerute de limita de curgere aparentă/convențională, viteza de deformare estimată pe lungimea calibrată eLc, trebuie modificată pentru a aparține unuia dintre intervalele specifice următoare:

Intervalul 2: eLc=0,00025 s-1 cu o toleranță relativa de ±20%

Intervalul 3: eLc=0,002 s-1 cu o toleranță relativa de ±20%

Intervalul 4: eLc=0,0067 s-1 cu o toleranță relativa de ±20%

Dacă scopul încercării la tracțiune este numai de a determina rezistența la tracțiune, atunci se poate aplica o viteză de deformare estimată pe lungimea calibrată a epruvetei conform intervalului 3 sau 4, pe tot parcursul încercării.

Determinarea limitelor de curgere aparente și convenționale.

Limita de curgere superioară, ReH

Viteza de îndepărtare a traverselor trebuie menținută pe cât posibil constantă și trebuie să se situeze în limitele corespunzătoare vitezelor de solicitare din tabelul 3.2.

Limita de curgere inferioară, ReL

În cazul în care nu se determină decât limita de curgere inferioară, viteza de deformare a lungimii calibrate a epruvetei în domeniul curgerii trebuie să fie cuprinsă între 0,00025s-1 și 0,0025s-1. Viteza de deformare a lungimii calibrate trebuie menținută cât mai constant posibil. Dacă această viteză nu se poate regla direct, ea trebuie fixată prin reglarea vitezei de deformare chiar înainte de începutul curgerii, comenzile mașinii nefiind modificate până la sfârșitul curgerii.

În toate cazurile, viteza de solicitare în domeniul elastic nu trebuie să depășească vitezele maxime date în tabelul 3.2.

În cazul în care se determină cele două limite de curgere superioară și inferioară în cursul aceleiași încercări, condițiile de respectat trebuie să fie cele reținute pentru determinarea limitei de curgere inferioare. [24]

Limita de curgere convențională și limita de extensie Rp și Rt

Viteza de îndepărtare a traverselor trebuie menținută cât mai constantă posibil și trebuie să fie cuprinsă în limitele care corespund vitezelor de solicitare din tabelul 3.2 din domeniul elastic.

În domeniul plastic și până la atingerea limitei de curgere convenționale, vitea de deformare nu trebuie să depășească 0,0025s-1.

Determinarea limitei de curgere superioare

ReH se poate determina pe diagrama forță – extensie sau din indicatorul valorii de vârf a forței și este definită ca valoarea maximă a forței unitare înainte de prima scădere a forței. Aceasta din urmă se obține prin împărțirea acestei forțe la aria inițială a secțiunii transversale a epruvetei.

Determinarea limitei de curgere inferioare

ReL se determină pe diagrama forță – extensie și este definită ca cea mai mică valoare a forței pe parcursul curgerii plastice, ignorând orice efect tranzitoriu inițial. Aceasta din urmă se obține prin împărțirea acestei forțe la aria inițială a secțiunii transversale a epruvetei S0. Pentru productivitatea încercării, ReL se poate raporta ca cea mai mică forță unitară din primul interval de 0,25% deformare după ReH și ignorând orice efect tranzitoriu inițial. După determinarea ReL prin această procedură, viteza de încercare poate fi crescută. Utilizarea acestei proceduri mai scurte se recomandă să fie înregistrare în raportul de încercare.

Determinarea limitei de curgere convenționale, extensie plastică

Rp se determină pe diagrama forță – extensie trasând o dreaptă paralelă cu porțiunea rectilinie a curbei, distanțată de aceasta cu o valoare care corespunde procentajului neproporțional prescris, de exemplu: 0,2%. Punctul unde această dreaptă intersectează curba reprezintă forța corespunzătoare limitei de curgere convenționale prescrise. Aceasta se obține prin împărțirea forței la aria secțiunii inițiale a epruvetei S0.

Atunci când porțiunea rectilinie a diagramei forță – extensie nu este clar definită astfel încât dreapta paralelă nu poate fi trasată cu o certitudine suficientă, se recomandă următorul procedeu (v. Fig. 3.8).

După ce s-a depășit limita de curgere convențională stabilită, forța se reduce până la o valoare egală cu 10% din forța atinsă. Apoi se crește din nou forța până ce se depășește valoarea atinsă inițial.

Pentru determinarea limitei de curgere convențională prescrisă, în interiorul buclei de histerezis se trasează o dreaptă. Se trasează apoi o dreaptă paralelă cu aceasta din urmă la o distanță de originea curbei, măsurată pe axa absciselor, corespunzătoare procentajului neproporțional neprescris. Punctul unde această dreaptă paralelă intersectează curba forță – extensie corespunde limitei de curgere convenționale. Aceasta este obținută prin împărțirea forței la aria secțiunii inițiale a epruvetei, S0. [27]

Determinarea limitei de extensie

Rt se determină pe diagrama forță – extensie prin trasarea unei drepte paralele la axa ordonatei și la o distanță de aceasta echivalentă cu extensia totală procentuală prescrisă. Punctul în care această linie intersectează diagrama reprezintă forța corespunzătoare limitei de extensie dorite. Aceasta se obține prin împărțirea forței la aria inițială a secțiunii epruvetei, S0.

Determinarea extensiei procentuale pe palierul limitei de curgere

Pentru materialele care prezintă curgere discontinuă, Ae, se determină pe diagrama forță – extensie prin scăderea extensiei corespunzătoare ReH din extensia la începutul durificării uniforme. Extensia la începutul durificării uniforme este definită prin intersecția între o dreaptă orizontală care trece prin ultimul punct local minim sau o dreaptă de regresie pe palierul de curgere, înainte de a se obține durificarea uniformă și o dreaptă corespunzând la cea mai înaltă pantă a curbei care apare la începutul durificării uniforme. Aceasta este exprimată ca procent din lungimea de bază a extensometrului Le.

Determinarea extensiei plastice procentuale la forță maximă

Această metodă constă în determinarea extensiei la forță maximă pe diagrama forță – extensie, obținută cu un extensometru și scăderea deformării elastice.

Extensia plastică procentuală, Ag, la forța maximă se calculează cu ecuația:

în care:

Lm este lungimea de bază a extensometrului

mE este panta părții elastice a diagramei forță – extensie procentuală

Rm este rezistența la tracțiune

∆Lm este extensia la forța maximă.

Determinarea alungirii totale procentuale la forță maximă

Metoda constă în determinarea extensiei la forță maximă pe forță – extensie, obținută cu ajutorul unui extensometru.

Alungirea totală procentuală sub forță maximă, Agt se calculează din ecuația:

în care:

Le este lungimea de bază a extensometrului

∆Lm este extensia la forță maximă.

Determinarea extensiei totale procentuale la rupere

Metoda constă în determinarea extensiei la rupere pe diagrama forță – extensie, obținută cu ajutorul unui extensometru.

Alungirea totală procentuală la rupere, At, se calculează din ecuația:

în care:

Le este lungimea de bază a extensometrului

∆Lf este extensia la rupere.

Determinarea alungirii procentuale după rupere

Cele două fragmente ale epruvetei sunt, în acest fel, foarte aproape, astfel încât axele lor să fie în prelungire.

Pentru a asigura un contact bun al fragmentelor de epruvetă, în timpul măsurării lungimii ultime între repere, trebuie luate măsuri de prevedere speciale. Această precizare este importantă, îndeosebi în cazul epruveteleor cu secțiune redusă sau al celor care prezintă valori mici ale alungirii.

Alungirea procentuală după rupere, A, se calculează din ecuația:

în care:

Le este lungimea de bază a extensometrului

Lu este lungimea finală între repere după rupere.

Alungirea după rupere trebuie determinată cu o exactitate de cel puțin 0,25mm cu un dispozitiv de măsurare cu o rezoluție suficientă.

Dacă alungirea procentuală minimă specificată este mai mică de 5%, se recomandă să se ia măsuri speciale pentru determinarea alungirii. Această măsură nu este valabilă în principiu decât dacă distanța de la secțiunea de rupere la reperul cel mai apropiat este mai mare decât Le/3. Totuși, măsurarea este valabilă indiferent de poziția secțiunii de rupere, dacă alungirea procentuală după rupere este mai mare sau egală cu valoarea specificată.

Când se măsoară extensia la rupere cu ajutorul unui extensometru, marcarea lungimilor între repere nu este necesară. Alungirea măsurată este extensia totală la rupere și pentru obținerea alungirii procentuale după rupere, este necesară scăderea extensiei elastice. Pentru a se obține valori comparabile cu metoda manuală, se poate aplica o reglare suplimentară.

Această măsură nu este valabilă în principiu decât dacă ruptura se situează pe lungimea de bază a extensometrului Le. Totuși, măsurarea rămâne valabilă fără a se ține seama de poziția rupturii, dacă alungirea procentuală după rupere este mai mare sau egală cu valoarea specificată.

Dacă standardul de produs prevede determinarea alungirii procentuale după rupere pentru o lungime între repere dată, se stabilește să se ia lungimea de bază a extensometrului egală cu această lungime.

Determinarea coeficientului de gâtuire Z

Dacă este necesar, cele două fragmente ale epruvetei sunt apropiate astfel încât axele lor să fie una în prelungirea celeilalte.

Coeficientul de gâtuire, Z, se calculează cu relația:

în care:

S0 este aria secțiunii inițiale a lungimii calibrate

Su este aria minimă a secțiunii transversale după rupere și se măsoară cu o exactitate de ±2%.

Raportul de încercare.

Raportul de încercare trebuie să conțină următoarele informații:

Identificarea epruvetei;

Materialul specificat, dacă este cunoscut;

Tipul epruvetei;

Amplasarea și direcția prelevării epruvetelor;

Metoda de verificare a încercării și viteza de încercare, respectiv intervalele de viteză dacă sunt diferite de metodele și valorile recomandate;

Rezultatele încercării.

3.2 Informații generale privind duritatea materialelor metalice folosind metoda încercării Vickers conform SR EN ISO 6507-1.

Încercarea de duritate Vickers specificată în această parte a ISO 6507 este pentru lungimi ale diagonalelor urmei cuprinse între 0,020mm și 1,400mm.

Valoarea forțelor a fost calculată în kilograme forță. Acestea au fost introduse înainte adoptării Sistemului Internațional de unități SI. S-a decis să se mențină în această ediție valorile bazate pe vechile unități, urmând ca la următoarea revizuire să se ia în considerare avantajele introducerii valorilor rotunjite ale forțelor de încercare și posibilele consecințe asupra scărilor de durități.

Principiul metodei

Un penetrator de diamant având formă de piramidă dreaptă, cu bază pătrată și cu un unghi specific la vârful dintre două fețe opuse, se aplică pe piesa de încercat cu o forță F, după care se măsoară lungimile diagonalelor urmei rămase în piesa de încercat după îdepărtarea penetratorului (v. Fig. 3.9).

Duritatea Vickers este proporțională cu valoarea raportului dintre forța de încercare și aria urmei rămase, care trebuie să fie o piramidă dreaptă, cu bază pătrată și care are la vârf același unghi ca al penetratorului.

Simboluri și definiții

Notarea durității Vickers se face folosind simbolul HV precedat de valoarea durității și urmat de:

Un indice care reprezintă forța de încercare

Durata de aplicare a forței de încercare, în secunde, dacă diferă de timpul specificat.

Exemplu: 640HV30 – duritatea Vickers de 640, determinată cu o forță de încercare de 294,2N, aplicată timp de 10s până la 15s.

Aparatură folosită

Aparat de încercare (permite aplicarea unei forțe prestabilite);

Penetrator (diamant în formă de piramidă dreaptă, cu bază pătrată);

Dispozitiv de măsurare.

Epruvetele

Încercarea trebuie să se efectueze pe o suprafață netedă și plană, lipsită de oxid și de substanțe străine și în particular lipsită total de lubrifiant, dacă nu se specificaă altfel în standardele de produse. Finisarea suprafețelor trebuie să permită determinarea cu acuratețe a lungimii diagonalei urmei.

Pregătirea trebuie efectuată astfel încât orice afectare a suprafeței, de exemplu, prin încălzire sau ecruisare, să fie diminuate.

Datorită adâncimii reduse a urmerlor în cazul microdurității Vickers, este important să se ia precauții speciale pe parcursul pregătirii suprafeței. Se recomandă utilizarea polizării/eletrcopolizării în funcție de caracteristicile materialului.

Grosimea epruvetei sau a stratului supus încercării trebuie să fie cel puțin egală cu de 1,5 ori lungimea diagonalei urmei. După încercare nu trebuie să fie vizibilă nici o deformație pe suprafața opusă a epruvetei (v. Anexa A).

Pentru încercările efectuate pe suprafețe curbe, trebuie aplicată corecția indexată în anexa B (v. Anexa B).

Pentru epruvete cu secțiunea transversală mică sau cu forme neregulate poate fi necesar să se prevadă anumite forme pentru suportul suplimentar.

Mod de lucru

Ca regulă generală, încercarea se efectuează la temperatura ambiantă în limite cuprinse între 10°C și 35°C. Încercărie efectuate în condiții controlate trebuie să fie efectuate la o temperatură de (23±5)°C.

Se utilizează forțele de încercare din tabelul 3.3.

Epruveta trebuie amplasată pe un suport rigid. Suprafața suportului trebuie să fie curată și lipsită de corpuri străine (oxid, ulei, impurități). Este important ca epruveta să fie menținută bine strânsă pe suport astfel încât să nu se deplaseze în timpul încercării.

3.3 Determinări experimentale pentru corelarea durității cu caracteristicile mecanice

Pentru determinarile experimentale am ales 3 tipuri de materiale metalice (316L, S355J0, C45E).

316L – oțel aliat utilizat pentru sudare

Rezistența la tracțiune 548 MPa

Yield strength 325 MPa

Elongation 33%

Compoziție chimică:

C max 0,03%

Mn 1-2,5%

P max 0,03%

S max 0,03%

Si max 0,65%

Cr 18-20%

Mo 2-3%

Cu max 0,75%

S355J0 – oțel carbon nealiat

Tensile strength 545 MPa

Yield strength 358 MPa

Elongation 28%

Compoziție chimică:

C max 0,22%

Si max 0,55%

Mn max 1,6%

P max 0,035%

S max 0,035%

N max 0,012%

Cu 0,55%

C45E – oțel nealiat de îmbunătățire

Tensile strength 668 MPa

Yield strength 340 MPa

Elongation 19%

Compozitie chimica:

C 0,42-0,5%

Si max 0,4%

Mn 0,5-0,8%

Ni max 0,4%

P max 0,03

S max 0,035

Cr max 0,04

Mo max 0,1

Corelații teoretice duritate-proprietati mecanice.

Deși testul de duritate al materialelor metalice evaluează doar rezistența la suprafață a materialelor împotriva deformărilor plastice, acesta este frecvent utilizat deoarece reprezintă o metodă simplă și ieftină de control nedistructiv, care de asemenea vizează și limita de curgere, rezistența la tracțiune, rezistența la oboseală a materialelor, dar și studiul tensiunilor reziduale, iar în cazul materialelor fragile, rezistența la rupere.

Pentru a determina relația dintre rezistența la tracțiune (Rm) si duritate (H), a fost stabilită următoarea relație, care este și cea mai des folosită în practică:

Rm = H · k

Acest coeficient k diferă în funcție de materiale, acestea fiind prelevate folosind metoda Brinell (HB) și anume:

Pentru oțel – 3,38-3,55

Pentru alamă – 3,48-3,21

Pentru fier – 2,86-3,63

În figura 3.10 este prezentat progresul rezistenței la tractiune (Rm) în dependență cu duritatea Brinell (HB) pentru diferte materiale. În cazul aliajelor de aluminiu, în comparație cu oțelurile, se observă în general valori mai mici ale coeficientului k.

Utilizarea oțelurilor de mare rezistență a început să crească în toată aria industrială. În industria vehiculelor auto, cererea este mare pentru materialele cu o rezistenta ridicata la deformarile plastice.

Testarea microduritatii este un mod eficient de a evalua proprietatile mecanice ale materialelor si este convenabila in special pentru epruvetele de mici dimensiuni.

Limita de curgere este punctul la care un material incepe sa se deformeze plastic si dupa care nu va mai reveni la forma initiala dupa ce forta care se aplica se indeparteaza. Limita superioara de curgere este punctul maxim la care un material va rezista la tractiune inainte de a se rupe.

Aceste doua proprietati joaca roluri importante in producerea de materiale prin diferite procedee mecanice, incluzand recoacerea, forjarea, roluirea si presarea.

Limita de curgere si rezistenta mecanica au fost testate folosind un instrument de mari dimensiuni, care necesita forte enorme pentru a actiona asupra epruvetelor. Pentru a testa cele doua proprietati este nevoie de timp si de resurse materiale, acesta fiind un procedeu scump si de durata, deoarece epruvetele se pot testa o singura data si este nevoie de mai multe incercari pentru a obtine rezultate cat mai exacte. Micile defecte existente pe suprafata epruvetelor sau in acestea pot conduce la variatii considerabile in rezultatele finale. Alti factori care pot influenta rezultatele finale sunt configuratia si aliniamentul epruvetelor in momentul incercarilor.

Obiectul masuratorilor.

Utilajul Nanovea este folosit in indentare pentru a analiza limita de curgere si rezistenta mecanica de pe epruvete de aliaje metalice, inclusiv otel inoxidabil si aluminiu.

Principiul metodei.

Nanoindentarea se bazeaza pe standarde si instrumentatie. Aceasta foloseste o metoda prestabilita, unde un poanson cu o geometrie cunoscuta este condus intr-o zona specifica a materialului ce trebuie testat.

Relația fizică dintre duritate și limita de curgere a materialelor

Corelarea dintre două valori este folositoare, dar relațiile care stau la baza acestora sunt mult mai valoroase. În continuare voi analiza relațiile dintre duritate și limita de curgere a materialelor, analiza ce va urma fiind una simplificată.

Așa cum a descris Tabor, penetrările efectuate în timpul testelor de duritate sunt perceptate ca fiind permanente în materialele metalice, lucru ce determină să prioritizăm analiza proprietăților plastice ale materialelor metalice.

După înlăturarea penetratorului au loc anumite schimbări de formă și dimensiuni ale materialului, efectul major fiind efectul de curgere plastică a metalului în jurul penetratorului, acest lucru indicând faptul că presiunea aplicată de penetrator este mai de grabă legată de proprietățile plastice decât de cele elastice. Tabor arată că în acest caz, pentru o varietate de teste de duritate, aceste măsurători pot fi folosite și pentru analiza limitei de curgere a metalelor, folosindu-se și de analizele efectuate de Prandtl și Hencky.

În timpul penetrării, se aplică o presiune pe suprafața metalică. Deși vârful penetratorului nu este paralel cu suprafața epruvetei, starea de tensiune din timpul penetrării nu este o simplă stare de compresiune. Așadar, presiunile trebuie analizate după două direcții (perpendicular pe axa penetratorului și în paralel cu aceasta). Deformarea plastică în timpul penetrării are loc în momentul în care efectul Huber-Mises este satisfăcut și anume, momentul în care forța de forfecare atinge o valoare critică:

unde 𝜎y este limita de curgere.

Forma piramidală a vârfului penetratorului poate fi considerat de forma unei pene în timpul penetrării. Modelul curgerii plastice din jurul vârfului penetratorului poate fi determinat cu ajutorul soluției lui Prandtl. Modelul curgerii este prezentat schematic în figura de mai jos (v. Fig. 3.11) pentru o penetrare tip Vickers. [26]

Presiunea normală la suprafață poate fi calculată cu următoarele formule:

Pentru un penetrator tip Vickers:

unde: 0.927 este raportul dintre suprafața bazei piramidei în raport cu suprafața fețelor acesteia.

Combinând cele două ecuații vom obține:

Hv = 0.927P = 0.927 · 2.96𝜎y = 2.74𝜎y

Dacă inversăm această relație:

𝜎y = 0.364 Hv, 𝜎y și Hv fiind măsurate în kg/mm2, alternativ,

𝜎y = 3.55 Hv, acestea fiind măsurate în MPa și kg/mm2.

Corelarea durității cu proprietățile mecanice s-a realizat pentru oțelurile: AISI 316L (X2CrNiMo17-12-2) – oțel inoxidabil; C45E – oțel carbon nealiat de îmbunătățire; S355J0 – oțel carbon nealiat. Curbele caracteristice determinate la încercarea la tracțiune sunt prezentate în figura 3.11 și în tabelul 3.4.

Tab. 3.4. Sistematizarea caracteristicilor mecanice pentru oțelurile analizate

Oțelurile analizate au fost supuse încercării de duritate Vickers, cu două sarcini diferite (1 kgf și 3 kgf), rezultatele centralizate sunt prezentate în tabelele 3.4 și figurile 3.11.

Tab. 3.5 Datele obținute la determinarea durității Vickers pentru oțelul 316L (X2CrNiMo17-12-2)

Tab. 3.6 Datele obținute la determinarea durității Vickers pentru C45E (oțel carbon nealiat de îmbunătățire)

Tab. 3.7 Datele obținute la determinarea durității Vickers pentru S355J0 – oțel carbon nealiat

Pentru a determina corelarea dintre valorile de duritate și cele două proprietăți mecanice ale oțelurilor analizate (rezistența la tracțiune Rm și limita de curgere convențională Rp0,2) se va lua în considerare valorile medii ale durităților în funcție de forța de apăsare (HV1 și HV3), așa cum se prezintă în tabelul 3.8.

Tab. 3.8 Valorile caracteristicilor mecanice, în funcție de duritatea medie obținută

1 Rm= HB · k ;

2 Rp0,2 = 3,55 · Hv ;

k ϵ (3,38;3,55) ; Se alege k = 3,40.

Analizând rezultatele obținute în tabelul 3.8, se observă o variație mare între valorile limită standard ale materialelor metalice și valorile determinate experimental în cadrul proiectului de diplomă (rezistența la tracțiune Rm și limita convențională de curgere Rp0,2), fapt ce conduce la corectarea coeficientului k, prezentat în tabelul 3.9

Tabelul 3.9 Valorile corectate ale coeficientului k