Selectia materialelor pentru tenacitate

Selectia materialelor pentru tenacitate

Materiale metalice

Tenacitatea este abilitatea unui material de a absorbi energie si a se deforma plastic inainte de a se rupe; cantitatea de energie absorbita atat in timpul deformarii cat si al ruperii este o masura a tenacitatii materialului. Marimea deformatiei care precede ruperea este o masura a ductilitatii, iar forta necesara producerii ruperii este o masura a rezistentei mecanice.

Daca o piesa trebuie sa suporte unele incarcari specifice, proprietatea de control este rezistenta mecanica. Ductilitatea caracterizeaza capacitatea materialului metalic de a putea fi procesat intr-o anumita forma.In schimb, tenacitatea devine o proprietate determinanta atunci cand elementul de constructie trebuie sa fie capabil sa absoarba o anumita energie mecanica fara aparitia ruperii.

Exista doi parametri principali ai tenacitatii si anume : tenacitatea in prezenta unei crestaturi si tenacitatea la rupere.

Tenacitatea materialului in prezenta unei crestaturi este abilitatea acestuia de a rezista impactului cand el contine unul sau mai multi concentratori de tensiune, cum ar fi defecte de fabricatie sau forme de proiectare. In mod obisnuit, ea se defineste ca fiind cantitatea de energie necesara pentru a rupe o epruveta la o anumita temperatura.

Tenacitatea la rupere a unui material metalic este capacitatea sa de a rezista propagarii unei fisuri existente. De regula, ea se masoara prin intensitatea tensiunii necesare la varful fisurii pentru a se produce propagarea acesteia.

Tenacitatea materialelor metalice este de obicei evaluata prin incercarea epruvetelor la o temperatura constanta, dintr-o singura lovitura, cu o masina de impact de tip pendul.Cele mai folosite metode sunt testul Charpy (fig. 1.15) si testul Izod.

Masuratoarea de baza este raspunsul epruvetei de impact, apreciat prin valoarea energiei de rupere absorbita. Modificarea energiei potentiale a capului de impact (intre valoarea dinainte de impact si cea de dupa rupere) este evidentiata prin intermediul unui cadran calibrat care masoara energia totala absorbita in timpul ruperii epruvetei. Alti parametri cantitativi care se masoara uneori sunt: aspectul suprafetei de rupere (procentajul de rupere ductila) si gradul de ductilitate / deformatie (expansiunea laterala sau contractia la radacina crestaturii).

Figura 1.15 Epruveta Charpy V si curba de variatie a energiei de rupere cu temperatura de incercare

Mai trebuie mentionat faptul ca epruvetele necrestate sunt de obicei selectate pentru a masura tenacitatea materialelor metalice mai putin ductile, cum ar fi fontele cenusii.

Tenacitatea unui material metalic este influentata de compozitia sa chimica si de o multitudine de factori fizici.De exemplu, la oteluri factorii chimici sunt reprezentati de continutul in carbon (fig.1.16), natura si cantitatea elementelor de aliere, continutul de gaze, cantitatea de incluziuni nemetalice, etc.

Factorii fizici includ microstructura, marimea grauntilor, dimensiunea sectiunii piesei, temperaturile de prelucrare la cald si la rece, metodele de procesare si orientarea epruvetelor. Totodata, prezinta importanta fenomenele de decarburare sau de carburare a suprafetei.

Materialele cu retea cristalina c.v.c. cum ar fi otelurile feritice tind sa treaca printr-o tranzitie de la comportarea ductila specifica temperaturilor inalte, la o rupere fragila, in cazul temperaturilor coborate. Astfel, pentru a se evita ruperea fragila (catastrofala), temperatura de serviciu a componentelor unei structuri date trebuie sa fie mai mare decat temperatura de tranzitie ductil - fragil a materialului.

Cu toate acestea, tranzitia de la comportarea ductila la cea fragila nu este in general brusca. De aceea, temperatura de tranzitie este deseori definita ca fiind

Figura 1.16 Evolutia energiei de rupere KV cu temperatura de incercare pentru oteluri nealiate cu diferite concentratii in carbon

temperatura necesara pentrua obtine un nivel arbitrar al energiei de rupere (de exemplu 27J), un aspect dat al ruperii (de exemplu 50% rupere fibroasa), sau un nivel specificat al ductilitatii (de exemplu 0,38mm expansiune laterala).

La otelurile aliate de inalta rezistenta mecanica si la metalele si aliajele neferoase, tranzitia de la comportarea ductila la cea fragila nu este de fiecare data distincta, astfel ca practic este imposibil de determinat. In asemenea cazuri,se folosesc valorile tenacitatii la rupere si principiile mecanicii ruperii.

Mecanica ruperii de baza pana la cea liniar elastica are trei ipoteze :

1. Fisurile sau alte defecte cu o comportare tip fisura sunt prezente atat in epruvetele care vor fi analizate, cat si in materialele structurale.
2. O fisura poate fi reprezentata printr-o suprafata libera orizontala intr-un mediu liniar-elastic, omogen, izotrop si continuu.
3. Un camp caracteristic de tensiuni inconjoara orice fisura intr-un corp supus unei solicitari.Intensitatea campului - valoarea sa K - la varful fisurii este independent de dimensiunea si forma epruvetei pentru multe conditii de incarcare si mediu inconjurator.

Mecanica ruperii furnizeaza metode de evaluare a capacitatii portante a structurilor cu defecte in vederea minimizarii avariilor catastrofale din timpul exploatarii. Pentru definirea marimilor de baza ale mecanicii ruperii, se considera exemplul unei fisuri centrale intr-o placa izolata, incarcata uniform cu tensiuni de intindere (fig.1.17). Atunci cand semilungimea fisurii, a, este mai mica decat 10% din latimea totala a placii, relatia dintre factorul de intensitate a tensiunii, K, tensiunea aplicata σ, si a este foarte apropiata de relatia pentru o fisura intr-o placa de latime infinita :

K = σ .π . a^{1/ 2}

Figura 1.17 Exemplu de placa supusa unei tensiuni σ , cu o fisura centrala avand semilungimea a. Conditiile de declansare a cresterii instabile a fisurii

Tensiunea aplicata elementului de constructie, lungimea fisurii si valoarea lui K reprezinta marimile de baza ale mecanicii ruperii.

Ecuatia de mai sus arata ca unitatea de masura pentru factorul de intensitate a tensiunilor este o unitate de tensiune inmultita cu radacina patrata din lungime. Totodata, factorul K este singurul parametru care include atat efectul tensiunii aplicate unei epruvete, cat si efectul unei fisuri de dimensiune data, prezenta in material. Mai trebuie subliniat faptul ca daca combinatia dintre σ si a va depasi o valoare critica, rezistenta la rupere a placii va fi depasita si este de asteptat o propagare a fisurii. Acea valoare critica de la care apare o crestere instabila a fisurii se noteaza cu K_c dar pentru placi groase, in conditii de deformare plana, se noteaza cu K_Ic si poarta numele de tenacitate la rupere in stare plana de deformare.

Pentru un material dat, aceasta caracteristica poate fi masurata direct folosind tehnica indicata la pct.1.7.

In tabelul 1.4 sunt redate valorile tenacitatii la rupere si limitei de curgere la temperatura camerei pentru unele aliaje structurale.

Tabelul 1.4 Tenacitatea la rupere la +20°C a unor aliaje structurale

De remarcat este faptul ca pentru aproape toate materialele, tenacitatea la rupere scade o data cu cresterea limitei de curgere (fig.1.18). Rezulta de aici, ca daca decizia de selectie a unui material se bazeaza numai pe valorile limitei de curgere, va putea fi favorizata aparitia cedarilor catastrofale.

Polimeri si compozite

La aceste materiale, tenacitatea sau rezistenta la impact se defineste prin abilitatea acestora de a absorbi energie,masurata de obicei prin cantitatea de energie / unitatea de volum necesara pentru ruperea epruvetei de incercare. Un alt indicator al tenacitatii il reprezinta marimea suprafetei de sub curba tensiune- deformatie. Cu cat aceasta suprafata este mai mare, cu atat tenacitatea materialului este mai ridicata.

Totusi, cu aceasta interpretare, un material rezistent mecanic cu alungire la rupere scazuta poate avea o rezistenta la impact echivalenta unui polimer cu rezistenta mecanica mult mai mica si alungire la rupere ridicata.

Rezistenta la propagarea fisurii este un alt mod de a caracteriza tenacitatea. Deoarece pentru multe aplicatii chiar o fisura mica poate fi considerata o avarie, acest concept a atras mai multa atentie in ultimul timp.Aici intra in joc atat energia necesara initierii fisurii cat si cea pentru propagarea ei. Bazat pe o abordare a mecanicii ruperii, "tenacitatea la rupere" este masurata prin factorul de intensitate a tensiunii critice K_c , necesar pentru initierea unei fisuri si prin energia necesara propagarii acesteia,G_c. Relatia de legatura intre aceste marimi este : EG_c = K_c²

unde E este modulul de elasticitate longitudinal.

Tenacitatea la rupere a fost de neinlocuit la evaluarea compozitelor avansate, ca de exemplu compozitul grafit / epoxid, care sunt considerate relative fragile datorita alungirii la rupere de numai ≈ 1% a fibrelor de carbon / grafit.Termoplastele ingineresti au o tenacitate la rupere mult mai ridicata decat compozitul grafit / epoxid. In tabelul 1.5 se indica valorile rezistentei la impact ale unor polimeri si compozite.

Tabelul 1.5 Tenacitatea la rupere la +20°C a unor polimeri si compozite

Materiale ceramice

De cele mai multe ori, datele despre tenacitatea ceramicelor sunt inconsistente din cauza sensibilitatii masuratorilor la pregatirea probelor, de exemplu prefisurarea, determinarea unei fisuri sa creasca corespunzator intr-o epruveta pentru testul de torsiune dubla, alinierea epruvetei, probleme care au fost rezolvate cu succes de-a lungul anilor la materialele metalice.In tabelul 1.6 sunt prezentate unele date despre tenacitatea la rupere a ceramicelor.

Tabelul 1.6 Valorile tenacitatii la rupere a unor ceramice