Ruperea materialelor metalice. Clasificarea tipurilor de ruperi

Ruperea materialelor metalice. Clasificarea tipurilor de ruperi

Prin rupere se intelege fenomenul de fragmentare a unui corp solid in doua sau mai multe parti, sub actiunea unor tensiuni interne sau externe.

Ruperile se pot clasifica dupa urmatoarele criterii:

. modul cristalografic de rupere (dupa tensiunea care produce de obicei fenomenul ruperii);

aspectul ruperii;

deformatia plastica care precede ruperea.

Referitor la primul criteriu, se stie ca desi solicitarile care pot actiona asupra unei piese sunt diferite: de tractiune, de compresiune, de forfecare, de incovoiere, ele dau nastere totdeauna in piesa numai la tensiuni normale (de tractiune sau de compresiune) si la tensiuni tangentiale.

Ruperea produsa de tensiunile normale se numeste rupere prin smulgere sau rupere prin clivaj. Modul de rupere in acest caz este controlat de tensiunile de intindere care actioneaza nonnal pe un plan cristalografic de clivaj. Ruperea pirn smulgere se poate produce fie prin interiorul cristalelor (transcristalin), fie printre cristale la limita grauntilor cristalini (intercristalin), asa cum este prezentat in figura 2.24.

Ruperea produsa de tensiunile tangentiale se numeste rupere prin forfecare sau rupere prin alunecare. Ruperea apare in acest caz ca rezultat al unei deplasari importante in planul activ de alunecare. Ruperea prin alunecare este un fenomen care se produce numai transcristalin.

Dupa al doilea criteriu, aspectul ruperii, in urma examinarii la grade mici de marire a sectiunii in care s-a produs ruperea, ruperile pot fi: cristalin stralucitoare (granulare) si ruperi mat-fibroase.

In raport cu deformatia plastica care produce ruperea, ruperile se impart in ruperi ductile si ruperi fragile.

. Ruperea ductila este produsa de tensiunile tangentiale (se mai numeste si rupere prin forfecare) si 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 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 fragile sa constituie un fenomen deosebit de periculos structurilor metalice. La materialele policristaline ruperea fragile se poate produce fie transcristalin, fie intercristalin. Aspectul suprafetei de rupere este cristalin stralucitor la ruperea transcristalina, respective de culoarea fazelor la ruperea intercristalina. In figura 2.25 se prezinta schematic cateva tipuri de rupere, in cazul solicitarii la tractiune a unor epruvete metalice.

Cunoasterea mecanismului de initiere si de desfasurare a ruperii fragile, prezinta o importanta deosebita, deoarece producerea acesteia este neprevazuta si poate avea consecinte exrem de dezastruoase in diverse aplicatii practice.

Mecanismul producerii ruperii fragile, in general, comporta corespunzator doua faze distincte de maxima importanja in tehnica: initierea fisurilor si propagarea lor.

In cazul ruperilor fragile, aparitia fisurilor se incearca a fi explicata, in lumina teoriei dislocatiilor, prin mai multe mecanisme:

concentrarea dislocatiilor la obstacole;

reactiile intre dislocatii la intersectia benzilor de alunecare;

aglomerarea dislocatiilor in procesul de maclare etc.

Dintre obstacolele de la care, prin acumulari de dislocatii, se amorseaza fisurile de clivaj, se mentioneaza: limitele dintre graunti si suprafefele maclelor

In figura 2.26.a se reprezinta formorea unei fisuri prin concentrarea dislocatiilor la limitele dintre graunti, iar in figura 2.26.b se prezinta coalescenta unor dislocatii

a b.

Fig. 2.26 Formarea fisurilor:

a. - coalescenta dislocatiilor;

b. -formarea fisurii prin concentrarea dislocatiilor la limitele dintre graunti

Factorul de intensitate al tensiunii, are urmatoarea formula structurala caracteristica:

K = Y x σ x √a

in care Y este o marime (functie) adimensionala care depinde de geometria elementului (a epruvetei), a structurii sau a sistemului. Pentru placile omogene solicitate la intindere uniforma monoaxiala, avand o fisura strapunsa cu lungimea 2 a mai mica decat a sasea parte din latimea L=W a placilor in discutie, adica: 2 a < L / 6. Se objine astfel expresia:

K = √∏ x σ x √a = l,77245δ√a

Asadar, factorul K depinde de geometria elementului, a structurii sau a sistemului studiat, de modul de solicitare si de marimea, respectiv de intensitatea solicitarilor aplicate.

Desigur, pentru o situate data, primii doi parametrii sunt invariabili si K
este functie liniara numai de marimea nominala care actioneaza perpendicular
pe directia defectului. Crescand progresiv solicitarea, se constata ca, pentru o
anumita valoare: σ σfis σ_r fisurile se extind brusc, brutal intempestiv si
survine  ruperea casanta,, fragila sau brutala.

Acea valoare a factorului K, care este determinata cu acest din urma efort unitar σfis se numeste: factor critic de intensitate al tensiunii mecanice si se simbolizeaza cu: K_c = K_c - K_cr. Cand fisurarea este de natura mecano-corosiva, atunci factorul critic de intensitate al tensiunii se simbolizeaza prin: K_SCC = K_scc kcorfis (SCC -> Stress Corrosion Cracking).

Asadar, factorul critic de intensitate al tensiunii este o caracteristica importanta a materialului care evidentiaza susceptibilitatea acestuia la extinderea instabila a fisurilor, aceasta individualizand pe deplin materialul considerat, din punct de vedere al caracterului si alternativei ruperilor (tenace sau brutale casante / fragile). Valorile factorului critic de intensitate a tensiunii depind de natura materialului, de temperatura, de actiunea mediilor ambiante si de lucru (coroziune, influenza hidrogenului etc.), de intensitatea radiatiilor penetrante etc. In general, valorile numerice ale factorului K_cr sunt de ordinul redat mai jos:

1000 7000 [N/mm^3/2] - pentru otelurile de rezistenta inalta;

2000 4000 [N/mm³'²] - pentru otelurile de rezistenta mijlocie;

700 1500 [N/mm^3/2] - pentru aliajele de aluminiu.

La ruperea ductila a metalelor cu ductilitate moderata se disting, in mod corespunzator, urmatoarele doua etape:

prima etapa, in care in regiunea gatuita apar o serie de mici pori care, sub actiunea tensiunii aplicate, se unesc intre ei formand fisuri care se propaga perpendicular pe axa fortei;

a doua etapa, in care sub acfiunea tensiunilor aplicate, fisurile se propaga pe planele inclinate aproximativ la 45° fata de axa tensiunii formand ruperea con - cupa.

Porii, in cazul ruperii ductile, se formeaza langi incluziunile existente in metale. Ductilitatea metalelor pure este una deosebita pentru ca acestea sunt lipsite de incluziuni, in comparatie cu ductilitatea scazuta ce se obtine in prezenta unor mici cantitaji de incluziuni. Rolul incluziunilor in formarea porilor, la acest tip de rupere, consta in aceea ca dislocatiile care produc deformarea plastica a metalului care inconjoara incluziunea se concentreaza la suprafaaa incluziunilor, producandu-se astfel coalescenta acestora (fig. 2.26).