Lucrare științifică [600530]

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iași
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor
Departamentul de Ingineria Materialelor Și Securitate Industrială

Lucrare științifică
Fractografia Materialelor
Metalice

Îndrumător Conf. dr. ing. Ioan Rusu
Autori:
Cimpoeșu Dumitru , grupa 9102
Haraga Radu -Armand , grupa 9106

IAȘI 2013

2

Istoric
Materialele plastice există de aproximativ 130 de ani. John Hyatt a patentat
nitroceluloza, primul plastic comercializat, in anul 1869. Totuși, dezvoltarea
la scară totală și folosirea plasticului este de 50 ani. În contrast, metalele
sunt folosite de sute de ani. Aplicarea ingineriei materialelor este
acompaniată fără ezitare de apariția eșecurilor, multe dintre ele fiind
catastrofice. Consecințele eșecurilor materialelor, inclunzând moartea,
pierderi financiare și ramificațiile juridice, au î ncurajat dezvoltarea
metodelor analitice eficiente de eșec. Cu toate că acestea vor depăși
valorea părții, costurile serviciilor eșuate depășesc cu mult costurile analizei
eșuate. Multe dintre tehnici folosite peste ani pentru evaluarea metalelor
au fost aplicate cu succes materialelor plastice, cu mici modificări însă.
Fracto grafia este fără îndoială cea mai valoroasă unealtă valabilă pentru
analiza eșuată. Fractografia, un termen inventat în 1944 care să descrie
știința examinării fisurilor ale suprafeței, a fost folosit de secole ca parte a
domeniului metalurgiei. Chiar și î nainte de asta, totuși, omul Epocii de
Piatră a avut cunoștiințe despre fisuri. Fractografia, cum o știm azi,
dezvoltată in secolul al XVI -lea ca și practică pentru prelucarea materialelor
feroase și neferoase. „De La Pirotechnia”, publicat de Vannoccio B iringuccio
în 1540, este unul dintre primele documente care detaliază tehnica
fractografia. Inventarea microscopului optic în 1600 a prevăzut o nouă
unealtă semnificativă pentru fractografie, dar nu a fost folosită de către
metalurgiști până în secolul al XVIII -lea. În 1722, R.A. de Réaumur a publicat
o carte cu gravuri care descriu fisuri macroscopice și microscopice ale
suprafețelor de oțel și fier. Interesant fiind, categoriile calităților
microscopice dezvoltate de Réaumur au ramas esențiale neschimbate de-a
lungul secolelor. Metalurgiștilor au continuat să folosească tehnicile
fractografice pentru asigurarea calității, dar, în mare parte, cercetătorii și
publicațiile au ignorat fractografia. Câteva tehnologii dezvoltate în secolul al
XX-lea au revitaliz at interesul în fractografie. Carl A. Zapffe a dezvoltat și a
folosit tehnicile fractografiei pentru a studia fragilizare a hidrogenului din
oțel. Munca lui a condus la descoperirea tehnicii de pentru fotografierea

3
suprafețelor fisurate la dimensiuni mari. Primele fractografe au fost
publicate de Zapffe în 1943. O dezvoltare și mai revoluționară a fost
invenția Microscopului electronic cu baleiaj (SEM). Primul SEM apărând ăn
1943. Spre deosebire de transmisiile microscopului electronic, care a fost
dezvolta t câțiva ani mai devreme, ar fi putut fi folosit pentru examinarea
fisurilor ale suprafețelor. Un SEM cu o rezoluție garantată cu aproximativ
500 pixeli a apărut pe piață în 1965. În comparație cu microscopul optic,
SEM marește rezoluția cu mai mult de un singur ordin de magnitudine și
crește adâncimea de focalizare cu mai mult de 2 ordine de magnitudine.
Uneltele pentru fractografia modernă au fost în esență înainte ca
materialele plastice să fie folosite pe scară largă.

Aspecte teoretice
Fractografia se ocupă cu studiul suprafețelor de rupere, având ca scopuri
principale:
a) determinarea cauzelor care provoacă distrugerea prin rupere a
organelor de mașini și elementelor de construcții;
b) obținerea de informații suplimentare cu privire la structura c orpului
solid.
Metoda de cercetare fractografică permite determinarea cauzelor și a
mecanismului distrugerii compactității materialului. Este o metodă distructivă,
deoarece epruvetele din materialul cercetat sunt supuse încercării la tracțiune
(în special) până la ruperea acestora.
Astfel, prin fractografie află m cele mai multe detalii despre proprietățile
mecanice ale materialelor, deci despre modul de comportare al acestora la
diferite acțiuni mecanice (rezistența la rupere, elasticitate, plasticitate,
tenacitate, fragilitate, fluaj, rezistența la uzură, rezistența la oboseală etc).
Încercarea la tracțiune se execută pe o mașină pentru încercări
mecanice, aplicând unor epruvete standard o forță de întindere axial ă
crescatoare și masurând variațiile coresp unzătoare ale lungimii epruvetei
(lungimea și diametrul).

4

Figura 1. Schema de principiu a încercării la tracțiune

Încercarea se face până la ruperea epruvetei, iar pe durata ei se traseaza
curba caracteristică a materialului, care exprimă legatura între tensiunea (σ)
cauzată de forța aplicată și deformația specifică a acestuia (ε).
Tensiunea este dată de relația:
σ = F / S o [N/mm2],
unde S o reprezintă valoarea secțiunii inițiale a epruvetei, iar F reprezintă
forța de întindere. Deformația specifică ε este mărimea adimensională numită
alungire totală:
ε = (L u – Lo)/ L o·100 [%],
unde L o reprezintă lungimea inițială în tre două repere marcate pe
porțiunea calibrată a epruvetei, iar L u – lungimea finală dintre cele doua repere.
Dependența dintre cele două mărimi este dată de legea lui Hooke:
σ = E · ε,
unde E este modulul de elasticitate longitudinală al materialului,
valoarea sa fiind dată de relația:
E = tg α.
În figura 2 putem observa un exemplu de curbă caracteristică, în
coordonatele tensiune (σ) – deformație specifică (ε) .

Figura 2. Curba caracteristică de încercare la
tracțiune σ – ε

5
Pe această curbă sunt identificate o serie de zone:
– punctul A reprezintă limita de proporționalitate;
– segmentul AB reprezintă zona în care deformația are caracter elastic;
– punctul B reprezintă limita de elasticitate, deoarece după depășirea acestei
limite materialul începe să capete deformații remanente (plastice);
– segmentul BC reprezintă zona în care deformația are caracter elasto -plastic;
– punctul C reprezintă momentul în care de formațiile plastice încep să devină
foarte mari, iar materialul începe sa „curgă” (se deformează deși sarcina nu
mai crește), pe curba caracteristică observându -se un „palier de curgere” în
zona CD;
– punctul D corespunde sarcinii maxime din timpul încercă rii, iar zona dinaintea
punctului D se numește zona de ecruisare (de durificare superficială);
– la un moment dat, într -o anumită porțiune a epruvetei (de obicei la
jumătatea acesteia) apare o gâtuire, care se accentuează rapid deoarece
deformarea va avea loc în continuare doar în această zonă, la forțe din ce în ce
mai mici. Porțiunea DE se numește astfel zona de curgere locală;
– punctul E marchează momentul în care epruveta se va rupe.
Curba din figura 2 descrie un material cu caracter ductil (propriet atea de
ductilitate caracterizează un material a cărui rupere este însoțită de deformații
plastice mari).
Materialele la care ruperea nu este precedată de deformații plastice
observabile sunt materialele fragile, la care forța maximă este acceași cu forța
suportată de epruveta în momentul ruperii. Un astfel de comportament îl au
oțelurile pentru arcuri, fontele etc.
Caracteristicile mecanice uzuale determinate prin încercarea la tracțiune
sunt:
 limita de curgere aparentă σc = F c / S0 [N/mm2],

6
 limita de curgere convențională σc0,2 (pentru materialele care nu au limita
de curgere aparentă),
 rezistența la rupere σ m = F max / S0 [N/mm2],
 alungirea la rupere A5 = (L u – Lo)/ L o·100 [%];
 gâtuirea la rupere: Z = (S o – Su)/ S o·100 [%], unde S u – secțiunea finală în
regiunea de rupere.
După puterea de mărire la care se examinează o suprafață de rupere
deosebim două tipuri de fractografie: macrofractografia și microfractografia.

Macrofractografia

Analiza macrofractografică constă în examinarea cu ochiul liber sau la
puteri mici de mărire, până la cel mult 50X a suprafețelor de rupere proaspăt
obținute, fără urme de oxizi sau impurități. Dacă este necesar, suprafața de
rupere poate fi curațată cu d iverși solvenți sau în baie cu ultrasunete, dar
evitându -se cu grijă deteriorarea acesteia.
Din punct de vedere macrofractografic, ruperile pot fi clasificate după
mai multe criterii (figura 5), cele mai relevante fiind:
a) după orientarea suprafețelor de rup ere, acestea pot fi:
– drepte (figura 3a): suprafața de rupere este normală pe axa epruvetei,
deci perpendiculară pe direcția forței maxime de tracțiune, fiind caracteristică
ruperii fragile;
– oblice (figura 3b): suprafața de rupere este determinată de forfe carea
într-un plan ce intersectează forța de aplicare sub un anumit unghi. Apare în
general la materialele anizotrope, cu plasticitate și rezistență la rupere prin
forfecare limitate;
– mixte („cupa -con”, figura 3c): suprafața de rupere este perpendiculară
pe direcția solicitării, având aspect fibros în partea centrală și muchii ascuțite la
margine (orientate la cca 45° în raport cu suprafața principală de rupere), fiind
caracteristică materialelor tenace (materiale care au capacitatea de a se
deforma mult î nainte de a se rupe). Uneori se pot forma „cupe duble” (figura

7
3d). În cazul materialelor foarte tenace la ruperea prin tracțiune a acestora se
pot obține suprafețe de rupere conice (figura 3e).
b) după gradul de deformare plastică:
– rupere fragilă: suprafaț a de rupere este grăunțoasă, având geometrie
dreaptă sau oblică;
– rupere tenace: suprafața de rupere este fibroasă, având geometrie
conică.
c) după rugozitate:
– grăunțoasă (figura 4a), caracteristica materialelor cu rupere fragilă, care
prezintă pe suprafață domenii plane strălucitoare (fațete) datorate deformării
plastice reduse înainte de rupere;
– fibroasă, caracteristica materialelor cu rupere tenace, care prezintă pe
suprafață aspecte stelate (figura 4b) sau fibroase (4c). Cele din urmă pot avea
aspect rugo s mat, când ruperea se face într -un plan perpendicular pe direcția
tensiunilor maxime de întindere sau un aspect mătăsos strălucitor când
ruperea are loc pe direcția tensiunilor tangențiale maxime.
d) după culoarea suprafețelor de rupere: aceasta este deter minată de
structura fizică, de compoziția chimică a materialului metalic. De exemplu
oțelurile carbon au suprafața de rupere argintie, cele aliate cu nichel au nuanță
galben deschis specifică, cele aliate cu Cr – cenușiu deschis, iar cele aliate cu
Mn – cenușiu mat.

Figura 3. Tipuri caracteristice de ruperi macroscopice datorate solicitării de
întindere; a – dreaptă; b – mixtă (cupa -con); c – cupa dublă; d – oblică; e –
conică.

8

a) b) c)
Figura 4. Macrostructuri ale suprafețelor de rupere

Figura 5. Criterii de clasificare a suprafețelor de rupere a materialelor metalice.

9
Unul dintre cele mai des întâlnite cazuri de rupere este ruperea prin
oboseală. După cum se observă în figura 6, ruperea se produce în mai multe
etape :
1. apariția unui focar în punctele de concentrare a tensiunilor (colțuri fără
raza de racordare) sau unde există diferite tipuri de defecte (pori sau
sufluri);
2. amorsarea fisurii caracterizată printr -o zonă adiacentă strălucitoare cu
grăunți fini și rugozitate scăzută;
3. formarea primelor trepte de dislocare (materialul are o structură mai
dispersă și o suprafață fină, mată). Se caracterizează prin liniile de
oboseală cauzate de variația în timp a forțelor aplicate asupra piesei
respective;
4. dezvoltarea accelerată a fisurii caracterizată de o rugozitate mai
accentuată a suprafeței și de creșterea cantitativă și în adâncime a
fisurilor secundare;
5. ruperea finală datorată micșorării secțiunii transversale a piesei odată cu
propagarea fisurii. Se car acterizează printr -un aspect granular în cazul
materialelor fragile sau fibros în cazul materialelor tenace.

a) b)
Figura 6. Microstructura ruperii prin oboseală; a – schița;b –
macrofrac tografia unei tije de piston ruptă prin oboseală:1 -focar; 2 -zona
adiacentă; 3 -primele trepte de dislocare; 4 -linii de oboseală; 5 -trepte
secundare de dislocare; 6 -zona de tranziție; 7 -zona de rupere.

10
Microfractografia

Microfractografia reprezintă analiza în detaliu a suprafețelor de rupere,
la limita grăunților și subgrăunților, utilizându -se aparatura pentru mărirea
imaginii.
a) microfractografia optică – utilizează microscopul metalografic, ale cărui
puteri de mărire (300 –700:1) permit vizualizarea diverselor caracteristici ale
suprafețelor de rupere: prezența fisurilor, striațiilor, rugozităților, starea
suprafeței (netedă, rugoasă, ondulată etc), dispunerea grăunților cristalini
(aciculară sau în monoblocuri) și modul de rupere (intercristalin, cân d
ruperea se produce la limita grăunților, fațetele acestora prezentând un
aspect mat; intracristalin, când ruperea se produce prin interiorul
grăunților, prezentând un aspect strălucitor sau fibros).
b) microfractografia electronică – utilizează aparate ce permit obținerea unor
imagini clare ale microreliefului de rupere.

Modul de lucru

În vederea stabilirii tipului de rupere se va utiliza formula de calcul a
gâtuirii la rupere :
Z = (S o – Su)/ S o·100 [%]
unde: S 0 – aria secțiunii inițiale transversale a epruvetei;
Su – aria secțiunii finale transversale a epruvetei.

Dacă: Z ≤ 1,5 % – rupere fragilă
1,5 % < Z < 15 % – rupere cvasifragilă
Z ≥ 15 % – rupere tenace (ductilă)

11

Parte experimental ă
Ruperea fragilă

Diagrama Duraluminiu Duraluminiu inainte de tractiune

Duraluminiu dupa tractiune Duraluminiu dupa tractiune

12
Ruperea ductilă

Diagrama Aluminiu Aluminiu inainte de tractiune

Aluminiu dupa tractiune Aluminiu du pa tractiune

Diagrama Cupru Cupru inainte de tractiune

13

Cupru dupa tractiune Cupru dupa tractiune

Rezultatele probelor metalice
Material testat Rp0.2
[MPa] Rm
[MPa] A5%
Cupru 242 294 27.8
Duraluminium 343 467 19.2
Aluminiu 102 109 21.1

14

Bibliografie
http://www.asminternational.org ;
Autori: Maria Baciu, Ioan Rusu – ”Știința materialelor ( Aplicații practice)” ,
editura Tehnopress , 2007;
http://ro.scribd.com ;