Ruperea materialelor metalice. Tipuri de rupere

Ruperea ductila si ruperea fragila

Ruperea reprezinta fenomenul de fragmentare al unui corp in doua sau mai multe parti sub actiunea unor tensiuni externe sau interne.

Ruperile se pot clasifica, in general, in doua mari categorii: ruperi ductile si ruperi fragile.

Ruperea ductila este produsa de tensiunile tangentiale si se mai numeste si rupere prin forfecare sau rupere prin alunecare. Este precedata de deformatii plastice mari, aspectul suprafetei de rupere fiind mat, fibros. Ruperea ductila se produce transcristalin si are o viteza de propagare relativ lenta.

Ruperea fragila este produsa de tensiunile normale si se mai numeste rupere prin smulgere sau rupere prin clivaj. Ruperea fragila se produce dupa un plan normal la directia tensiunii, cu o mare viteza de propagare si fara a fi precedata de deformatii plastice macroscopice. Aceste caracteristici fac ca ruperea fragila sa constituie un fenomen deosebit de periculos pentru structurile metalice, numeroase cazuri de rupere fragila, si in special cele produse la poduri, recipiente, nave maritime etc., avand loc la solicitari sub rezistenta admisibila, brusc - deci fara deformatii prealabile - si uneori dupa un interval destul de lung de comportare satisfacatoare in exploatare.

La materialele policristaline ruperea fragila se poate produce fie transcristalin fie intercristalin. Aspectul suprafetei de rupere este cristalin stralucitor la ruperea transcristalina respectiva de culoarea fazelor la ruperea intercristalina.

Figura 17 prezinta schematic cateva tipuri de rupere in cazul solicitarii la tractiune a unor epruvete metalice. Astfel, figura 17 a. expune ruperea fragila a unei epruvete monocristaline sau policristaline, figura 17 b prezinta ruperea prin forfecare a metalelor cu ductilitate mare (plumbul), iar figura 17 c prezinta, ruperea prin forfecare a metalelor cu ductilitate moderata (otelul carbon), la care se produce o mica gatuire urmata de o rupere con-cupa (fig. 17 d).

Deoarece valori apropiate de cele ale rezistentei teoretice de rupere s-au obtinut doar experimental pe monocristale filiforme extrem de subtiri (whiskers), s-a admis ipoteza ca ruperea materialelor metalice la o tensiune mult mai mica decat rezistenta teoretica de rupere este determinata de neomogenitatile structurale si imperfectiunile de retea care joaca rolul unor concentratori de tensiuni. Prin concentrarea de tensiuni in anumite zone se poate atinge nivelul rezistentei teoretice de rupere astfel ca se produc mici ruperi locale, microfisuri, care se propaga apoi in tot corpul sub actiunea starii de tensiune.

Astfel, la ruperea ductila prin tractiune a otelurilor, in zona gatuirii epruvetei apare o stare de tensiune triaxiala care duce la formarea unor mici pori ce se unesc sub actiunea tensiunii aplicate si formeaza o fisura centrala care se propaga pe o directie perpendiculara pe axa epruvetei iar apoi pe planele de alunecare inclinate la 45° fata de axa epruvetei.

Microfisurile din care se dezvolta ruperea nu exista deci de la inceput in material ci sunt produse in procesul de deformare. Aceasta afirmatie este valabila si pentru ruperea fragila care, deci nu prezinta deformatii plastice macroscopice, este precedata de deformari plastice microscopice. Formarea microfisurilor din care se dezvolta ruperea se explica prin concentrarea dislocatiilor la obstacole (limitele dintre graunti, suprafetele maclelor de deformare, barierele Cottrell-Lomer, incluziuni, precipitate microscopice etc.) datorita deformarilor plastice care preced, in mod corespunzator, ruperea propriu-zisa.

Figura 18 prezinta doua scheme de amorsare a fisurilor prin concentrarea dislocatiilor la obstacole. Deoarece un material ductil permite relaxarea prin deformare plastica, a tensiunilor concentrate la varful fisurilor, viteza de propagare a acestora este mica. Aceasta relaxare este insa extrem de diminuata la ruperea fragila a materialelor metalice, la care viteza de propagare a fisurilor este de cca.1.000 m/sec.

Fragilizarea materialelor metalice

Formarea microfisurilor nu constituie o conditie suficienta pentru provocarea unei ruperi fragile. Pentru propagarea acestora trebuie intrunite o serie intreaga de conditii care determina fragilizarea materialului metalic luat in considerare.

Proiect: Localizarea intracelulara a enzimelor Referat: Reactii pentru compusi cu functiuni simple azotate

Un material metalic poate fi ductil in anumite conditii dar poate deveni fragil in altele. Intervine astfel notiunea de fragilizare care se poate defini ca fiind tratamentul prin care se diminueaza capacitatea de deformare plastica a unui material in conditiile date. Acest tratament poate fi de natura diferita: termic, chimic, mecanic etc. In mod obisnuit insa, prin fragilizare se intelege scaderea de ductilitate care rezulta prin modificarea conditiilor de exploatare sau de incercare a unui metal sau aliaj metalic.

Aceasta modificare poate consta practic in scaderea temperaturii, cresterea vitezei de solicitare, determinarea unei stari de tensiune spatiala etc.

Dintre factorii structurali care pot determina fragilizarea se poate aminti in primul rand marimea grauntelui.

Limitele dintre graunti franeaza propagarea fisurilor, deci cu cat limitele vor fi mai numeroase (cu cat dimensiunile grauntilor vor fi mai mici) cu atat fisurile se vor propaga mai greu iar rezistenta la rupere va fi mai mare.

Tranzitia ductil-fragil este determinata si prin variatia temperaturii de incercare (exploatare). Aceasta tranzitie are drept cauza modul diferit in care variaza tensiunea tangentiala reala de rupere t_t si tensiunea normala reala de rupere s_n cu temperatura.

O importanta deosebita asupra fragilizarii o au concentratorii interni de tensiune.

Concentratorii pot fi de natura geometrica: crestaturi, fisuri, pori, variatii bruste de dimensiuni, etc. sau de natura metalurgica: neomogenitati structurale, structuri fragile locale, incluziuni etc.

Starea de tensiune, alaturi de temperatura si de natura si structura materialului influenteaza deci puternic caracterul ruperii.

Deoarece factorii care pot determina fragilizarea unui material metalic sunt extrem de numerosi, vor fi mentionati doar cei mai importanti dintre acestia:

- compozitia chimica;

- structura materialului (tratamentele termice efectuate);

- conditiile de exploatare (incercare) - temperaturi scazute;

- viteze mari de solicitare sau deformare;

- atmosfera coroziva;

- prezenta concentratorilor de tensiuni etc.

In general, fragilizarea este un rezultat al actiunii comune a unora sau altora dintre factorii prezentati. Pentru cazurile intalnite in mod obisnuit in practica constructiilor metalice si pentru un material dat, se considera insa ca avand o influenta deosebita asupra fragilizarii trei factori dintre cei mentionati:

- temperatura scazuta de exploatare;

- starea de tensiune spatiala;

- viteza mare de deformare sau aplicare a sarcinii.

Susceptibilitatea fata de ruperea fragila poate fi influentata si de dimensiunea piesei (structurii metalice); cu cat aceasta va fi de dimensiuni mai mari, cu atat va putea fi inmagazinata o mai mare cantitate de energie elastica care ar putea conduce la propagarea rapida a unei fisuri.

Se mentioneaza ca cercetarile efectuate pana in prezent au evidentiat faptul ca ruperea de tip fragil apare de regula numai la metalele cu structura cubica cu volum centrat sau hexagonal compacta dar nu si la metalele cu structura cubica cu fete centrate, in afara de cazurile in care au existat factori ce au contribuit la fragilizarea limitelor grauntilor acestora din urma.

Majoritatea ruperilor de tip fragil constatate in exploatare pentru un material dat sunt determinate de temperaturi de serviciu relativ joasa si de prezenta unor stari de tensiune spatiala cauzate de concentratori.

Intrucat tendinta catre o rupere fragila este accentuata de catre solicitarile sau deformarile cu viteze mari, pentru cercetarea susceptibilitatii materialelor metalice spre ruperea fragila se utilizeaza de obicei diferite incercari prin soc (incercarile de incovoiere prin soc Charpy, Izod, Schnadt, Battelle, incercarea de tractiune prin soc, incercari prin explozie etc).

3. Ruperea la oboseala

Ruperile care apar in urma aplicarii unor sarcini variabile si repetate in timp se numesc ruperi la oboseala si se manifesta prin unele caracteristici care le deosebesc de ruperile determinate prin aplicarea unor sarcini constante. Ruperile la oboseala se produc, in general, la tensiuni mult mai mici decat cele necesare pentru a preceda ruperea in conditii statice si sunt foarte periculoase deoarece nu sunt precedate de modificari vizibile ale aspectului sau dimensiunilor pieselor respective.

Ruperea la oboseala a materialelor metalice este initiata de existenta unor concentratori de tensiune geometrici sau metalurgici (variatii bruste ale dimensiunilor, unghiuri ascutite interioare, gauri, fund de filet, incluziuni nemetalice, microfisuri, microretasuri etc.) care, sub actiunea sarcinilor variabile si repetate in timp, determina o ecruisare crescanda a zonelor respective in urma careia materialul nu se mai poate deforma plastic si fisureaza.

Fisurarea are loc, de regula, la suprafata pieselor unde sunt localizate de cele mai multe ori si concentratorii de tensiune. Fisura astfel aparuta se dezvolta treptat sub actiunea repetata a sarcinilor variabile iar atunci cand sectiunea efectiv ramasa nu mai rezista solicitarilor, intervine ruperea brusca a acesteia.

O rupere prin oboseala poate fi recunoscuta prin existenta a doua zone: o zona lucioasa, relativ neteda dar care evidentiaza prin aspectul sau formarea si avansarea in timp, a fisurii incipiente (sunt vizibile liniile de deformare ce indica propagarea in etape a fisurii, aspectul lucios aparand in urma frecarii suprafetelor de rupere) si o zona mata, cu asperitati, corespunzatoare ruperii finale, instantanee,
(fig. 19).

Rezistenta la oboseala se defineste ca reprezentand tensiunea alternanta sau oscilanta care produce ruperea unei epruvete dupa un numar de alternante foarte mare; acest numar se stabileste conventional si este in mod obisnuit de 107 pentru oteluri respectiv 108 pentru aliaje neferoase usoare.

Rezistenta la oboseala scade cu cresterea dimensiunilor piesei si a rezistentei la intindere a materialului intrucat, practic, toate ruperile la oboseala pornesc de la suprafata, pe langa micsorarea concentratorilor geometrici printr-o proiectare adecvata, rezistenta la oboseala se poate ameliora simtitor prin durificare termica (tratamente termice de calire superficiala, nitrurare, cementare etc.) sau mecanica (rulare cu role, durificare cu jet de alice etc.) care produc tensiuni de compresiune remanente la suprafata pieselor, tensiuni ce diminueaza tensiunile de intindere provocate de sarcina aplicata.