Comportarea Materialelor Metalice la Rupere

Comportarea materialelor metalice la rupere

Alături de comportarea materialelor metalice la deformarea plasitcă, deosebit de importantă este și comportarea acestora la rupere. Procesele de rupere sunt însoțite, de cele mai multe ori, de procese de deformare plastică, astfel încât acestea reprezintă două capitole importante și inseparabile.

În general, prin ruperea ductilă se înțelege o rupere care este precedată de o deformabilitate plastică în cursul căreia are loc modificarea formei materialului, volumul acestuia rămânând constant. O problemă care se adresează, din ce în ce mai frecvent, specialiștilor în materiale metalice este dacă la producerea ruperii ductile este sau nu necesară o deformare plastică. Prin ruperea fragilă se înțelege ruperea care nu este însoțită practic de deformarea plastică. Sub acest concept, rezultă că la ruperea fragilă propagarea fisurilor nu necesită deformarea plastică, ceea ce nu exclude insă că anterior nu a avut loc acest fenomen.

Ruperea fragilă

Ruperea fragilă reprezintă un capitol important în studiul comportării materialelor metalice astfel încât cercetările efectuate în această direcție în comparație cu ruperea ductilă sunt preponderente.

Din punct de vedere fenomenologic, ruperea fragilă reprezintă despărțirea materialului, de obicei cu suprafețele de rupere,prependicular pe axa efortului de tracțiune și la care, în general, nu poate fi evidențiată o deformare sau modificare de dimensiuni. Ruperea fragilă poate decurge transcrisltalin sau, de asemenea,intracristalin. Ea se întâlnește mai ales la materialele și aliajele care cristalizează în sistemul cub cu volum centrat și hexagonal; sensibilitate spre rupere fragilă este accelerată de scăderea temperaturii și creșterea vitezei de deformare. Ruperea fragilă intracristalină se observă de obicei la materiale metalice cu precipitări sau impurități plasate la limitele de grăunte, însă poate apare și atunci când acestea lipsesc sau la alte sisteme de cristalizare.

Teoria lui Griffith. Această teorie a fost elaborată pentru materialele riguros fragile, de exempul sticlă, însă conceptul respectiv poate fi extins și la materialele metalice.

Poza

Se consideră că, în material există un număr de fisuri cu lungime 2c. Datorită concentrării de tensiuni la extremitățile fisurilor, pot fi atinse tensiuni capabile să producă în continuare întreruperi locale ale materialului. La creșterea fisurilor, suprafețele se măresc, deci trebuie consumată o energie pentru formarea suprafețelor de rupere; cantitatea de energie necesară este pentru formarea este luată din energia de distorsiune a rețelei cristaline. După Griffith, o fisură se mărește, sub acțiunea unei tensiuni, dacă energia de distorsiune introdusă este cel puțin la fel de mare ca și energia superficială a fisurii. Energia de distorsiune pentru p fisură preexistentă de formă eliptică de lungimea 2c (respectiv pentru suprafețe) este:

,

Unde σ este tensiunea care acționează și E modulul de elasticitate. Energia de suprafață are valoarea U0 = 4 c γ, unde γ este energia specifică superficială. După Griffith, fisura se mărește dacă nu are loc o modificare a energiei totale. Această condiție se poate scrie:

Tensiunea sub care o fisură de lungime 2c se mărește rapid va fi:

Relația este valabilă numai sub rezerva că fisura se formează riguros fără deformare plastică. La metale, chiar și în cazul ruperii fragile, au loc totuși mici deformări plastice în procesul de mărire a fisurii, astfel încât este necesară suplimentar, pe lângă energia necesară pentru formarea unei noi suprafețe, și o energie necesară deformării plastice.

În locul mărimii γ se introduce mărimea γ’, care reprezintă energia necesară deformării plastice și care având valori cuprinse între 105-106 erg/cm2 este mult mai mare decât energia superficială γ (103 erg/cm2).

Formarea fisurilor. Teoria lui Griffith oferă o explicație pentru valorile mici ale reziliențelor respectiv ale rezistențelor metalice,care nu prezintă însă micrifisuri, rezistențele de rupere se găsesc cu mult sub valorile teoretice. Rezultă deci că, în materialul metalic există zone în care prin concentrări de tensiune se depășește local rezistența teoretică, acestea conducând la formarea microfisurilor.

Zener a fost primul care a arătat că astfel de condiții sunt oferite de vârfurile (sau extremitățile) unor obstacole ca, de exemplu, limita de grăunte sau grupe de dislocații înmobilizate. După Stroh, pe baza celor de mai sus, se arată că o microfisură se poate forma dacă se îndeplinește următoarea condiție:

,

Unde Z este numărul de dislocații imobilizate, este vectorul Burgers al acestora, τ tensiunea de forfecare și γ energia superficială, Lungimea L a planurilor de alunecare, care sunt influențate de tensiuni datorată celor Z dislocații se determină ca și pentru dislocațiile marginale:

Tensiunea de forfecare necesară pentru formarea unei microfisuri va fi:

Odată microfisura formată, ea crește în continuarea constant întrucât, sub tensiunea aplicată, dislocațiile provenite de la o sursă se deplasează la suprafața microfisurii producând creșterea acesteia. Microfisura poate crește până la o valoare, prin care se indeplinește criterial lui Griffith, după care se inregistrează o creștere rapidă, aceasta conducând direct la rupere. Dependența rezistenței de rupere de mărimea de grăunte (rezultă și din relația de mai sus) a fost confirmată deja de rezultatele experimentale.

Poza

Întrucât o rupere fragile poate avea loc atât în materialele metalice policristaline cât și în monocristale, ca obstacole pentru imobilizarea dislocațiilor pot fi considerate nu numai limitele de grăunte ci și limitele de macle de deformare. In poza se prezintă două posibilități de formare a microfisurilor.

Ruperea ductilă

După cum rezultă și din denumire, o rupere ductilă este asociată cu o deformare mai mult sau mai puțin plastică. Macroscopic, recunoașterea unei ruperi ductile se face după gâtuirea care apare în zona ruperii.

Poza

Gâtuirea are loc prin modificarea sesizabilă locală a secțiunii transversale în cursul tracțiunii. La deformăti în continuare în zona de centru a gâtuirii ( în care schema de tensiuni este triaxoală) se formează un număr mare de microfisuri și pori (Poza), care crescând duc la apariția unei fisuri, ce se măsoară perpendicular pe direcția efortului. După apariția acestei fisuri. Are loc forfecarea estului de secțiune transversală pe suprafața înclinată la 45° față de direcția efortului. Problema apariției porilor la ruperea ductilă este foarte controversată. Experimental, s-a dovedit că ruperea ductilă, la fel ca cea fracilă, este puternic dependentă de mărimea de grăunte; se poate presupune că în cazul ruperii ductile, în focarul gâtuirii sunt imobilizate dislocații, care conduc la apariția porilor este explicată prin existența incluziunilor ca de exemplu oxizi, sulfuri, silicați etc.

Trecerea de la ruperea fragilă la ruperea ductilă. Este demonstrat faptul că în metalelor și aliajelor, care cristalizează în sistemele cubic cu volum centrat sau hexagonal, temperaturile coborâte și vitezele mari de deformare favoroizează ruperea fragilă. Dacă, insă, aceleași materiale sunt supuse eforturilor de tracțiune cu viteză de deformare constantă, în funcție de temperatură, intr-un anumit domeniu de temperatură de tranziție este de foarte mare importanță pentru practică. Pentru aceasta, se alege valoarea vitezei de deformare și starea de tensiuni astfel încât să se obțină ruperea fragilă utilizându-se probe de reziliență poza.

Poza

Probele se introduc într-o incintă cu azot lichid sau zăpadă carbonică și, după răcirea corespunzătoare, se supun ruperii pe ciocanul de reziliență, măsurându-se temperatura și valoarea lucrului mecanic necesar ruperii. Se repetă proba crescând de fiecare dată temperatura de încercare, alegându-se valori reprezentative ale acesteia și se descrie curba variației în funcție de temperatură poza.

Poza

Ruperea în condiții de solicitare la fluaj

În capitolele precedente a fost prezentată ruperea, în condiții în care tensiunea crește continuu până când materialul se desparte în bucăți. Încercările efectuate la temperaturi mai ridicate prin menținerea constantă a sarcinii, conduc la ruperea materialului după durate mai mult sau mai puțin îndelungate de timp și în funcție de mărimea solicitării. Aceste ruperi au loc în domeniul de fluaj terțiar și se deosebesc sensibil, în special la materialele din sistemul cubic cu fețe centrate, de ruperile de la temperatura coborâtă.

În timp ce ruperile la temperaturi coborâte sunt aproape întodeauna transcristaline, ruperrile care au loc peste anumite temperturi (caracteristice fiecărui material metalic) sunt intercristaline; valoarea acestor temperaturi variază invers proporțional cu viteza de deformare. Temperatura de tranziție de la ruperea transcristalină la ruperea intercristalină este un parametru care caracterizează materialele metalice în privința domeniului de utilizare. La temperatura de aproximativ 700°C, materialele metalice înalte rezistente la temperatură, ca de exemplu oțelurile austenitice și aleiajele pe bază de nichel, se plasează la încercarea de fluaj în domeniul ruperii intercristaline.

În condiții de fluaj pot fi puse în evidență două forme de rupere intercristalină Poza

În conditii de fluaj pot fi puse în evidență două forme de rupere intercristalină poza

Ruperea la punctele de intersecție a mai multor limite de grăunte (are la bază o alunecare a acestora); apare în special la durate mici de încercare sau la tensiuni ridicate;

Ruperea prin formarea unui număr mare de micropori sau pori la limita de grăunte, de cele mai multe ori perpendicular pe direcția efortului. Cauza acestei ruperi, care se produce mai ales la durate îndelungate de încercare nu este până în prezent riguros elucidată.

Poza