Embed Size (px)
Citation preview
Ruperile materialelor metalice
Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui corp atunci cacircnd starea de tensiuni este incompatibilă cu capacitatea de deformare
Criterii de clasificare ale ruperii1) După modul cristalografic de rupere (ruperea la scară atomică)
a) rupere prin smulgere(clivaj) figura 56 reprezintă ruperea legăturilor dintre atomi pe direcţie perpendiculară pe planul suprafeţei de rupere şi la care condiţia ruperii este
σgtσr şi τltτr unde σrτr reprezintă tensiunea de coeziune din reţea şi στ reprezintă starea de tensiuni locală
Figura 1 Rupere prin smulgere (clivaj) Figura 2 Rupere prin forfecare (alunecare)σNC - tensiuni normale de clivaj τf - tensiuni de forfecare
b) rupere prin forfecare figura 2 care se realizează prin forfecarea legăturilor dintre atomii de pe planele de alunecare şi la care condiţia ruperii este
σltσr şi τgtτr 2) După aspectul ruperii (ruperea la scară microscopică)
a) ruperea prin clivaj la care propagarea are loc - transcristalin (aspectul suprafeţei de rupere fiind cristalin strălucitor) - intercristalin (aspectul suprafeţei de rupere avacircnd culoarea fazei prin care se propagă) O fisură de clivaj se propagă sub acţiunea componentei normale a tensiunii datorită concentrării puternice a tensiunilor la vacircrful fisurii
Ruperea se propagă perpendicular pe axa fisurii axă paralelă cu direcţia tensiunii normale rezultacircnd o suprafaţă plană de rupere
Icircn materialele metalice policristaline planele de clivaj din fiecare grăunte nu au aceeaşi direcţieruperea se propagă continuu de la un grăunte la altul rezultacircnd un clivaj continuu
b) ruperea prin forfecare la care propagarea are loc transcristalin iar aspectul suprafeţei de rupere este fibros mat
Ruperea prin forfecare este un proces de deformare plastică localizat Fisura tinde să parcurgă drumul componentei tangenţiale maxime (care pentru solicitarea monoaxială simplă face un unghi de 450 faţă de direcţia σ) Creşterea fisurii are loc prin formarea de noi fisuri şi coalescenţa acestora
La materialele policristaline unii grăunţi pot ceda prin smulgereObservaţie Suprafeţele de rupere ale materialelor policristaline au aspecte cristalin
strălucitoare şi mat fibroase3) După deformarea plastică (ruperea la scară macroscopică)
a) ruperi fragile (casante) acestea fiind ruperi prin clivaj (rupere plană) şi au viteze de propagare foarte mari
b) ruperi ductile (plastice) acestea fiind ruperi prin forfecare cu propagare lentă monocristal oblică sau icircn pană agregate policristaline la care pentru
- metale cu tenacitate mare(pure) are loc gacirctuire pacircnă la un punct - metale cu plasticitate moderată(de puritate tehnică) are loc rupere con-cupă (rupere normală)
Teoria ruperii materialelor liniar elastice
a) Rezistenţa teoretică la rupere a metalelor este determinată de coeziunea dintre atomi Consideracircnd variaţia forţei de coeziune dintre atomi funcţie de distanţa r raportată la suprafaţă se obţine forţa de coeziune σcoez la depăşirea căreia se atinge rezistenţa teoretică σt
unde E - modulul de elasticitate longitudinal γs - energia superficială raportată la unitatea de suprafaţă r0 - distanţa de echilibru dintre atomi (parametrul reţelei cristaline)
Exemplu E = 21105 Nmm2 γ = 1 Jm2 = 10-6 Jmm2 r = 310-8 mm σt = 2645 Nmm2 Rezistenţa teoretică are valoare foarte mare cu cel puţin
un ordin de mărime mai mare decacirct
b) Teoria Griffith de rupere a materialelor liniar-elastice izotrope (elaborată icircn 1920) sugerează cauzele care determină diferenţa mare icircntre rezistenţa teoretică la rupere şi cea reală La baza acestei teorii (aplicabilă materialelor amorfe de tipul sticlei) stă ipoteza că acestea conţin microfisuri
- la capetele lor se concentrează tensiunile- se poate depăşi local rezistenţa teoretică la rupereσt- deoarece ruperea nu porneşte simultan pe toată secţiuneatensiunile reale de rupere
sunt mult mai mici decacirct cea teoreticăDin condiţia energetică
δUegeδγs
(variaţia elementară a energiei elastice relaxată la extinderea fisurii mai mare decacirct energia elementară formării noilor suprafeţe de separaţie flancurile fisurii extinse) se obţine
unde σf - tensiunea critică la care are loc creşterea cu viteză foarte mare a fisurii la o solicitare constantă(propagare instabilă a fisurii) c - semiaxa fisurii
Observaţie Rezultatele corespund propagării instabile a unei fisuri eliptice cu axa mare 2c icircntr-o placă subţire (stare plană de tensiune) infinită solicitată la icircntindere uniaxială normală σ
c) Cacircmpul de tensiuni icircn jurul unei fisuri(factorul de intensitate al tensiunilor factor critic de intensitate al tensiunilor)
Figura 3 Propagare a fisurilor
Propagarea (extinderea) fisurii icircn exemplul din figura 3 se face prin deschidere (modul de propagare a fisurilor figura 4)
a prin deschidere b prin alunecare frontală c prin alunecare lateralăFigura 4 Moduri de propagare a fisurilor
Icircn teoria elasticităţii se demonstrează că starea de tensiuni la vacircrful discontinuităţii eliptice din exemplul considerat este
Icircn relaţiile (514) se notează
care poartă numele de factor de intensitate al tensiunilor El este o măsură a creşterii tensiunii locale icircn prezenţa unei discontinuităţi icircn raport cu tensiunea existentă icircn aceeaşi piesă la aceeaşi solicitareicircn absenţa discontinuităţii Acest factor este funcţie de lungimea discontinuităţiisolicitare şi geometria piesei Icircn general relaţia de definire este
unde φ este funcţie de geometria piesei
Consideracircnd relaţia (513) scrisă sub forma
se constată ca membrul stacircng are sensul factorului de intensitate al tensiunilor la propagarea instabilă a fisurii kIcr - factor critic de intensitate al tensiuniloriar membrul drept este dependent numai de caracteristicile materialului Dacă propagarea instabilă a fisurii are loc atunci cacircnd factorul de intensitate al tensiunilor atinge valoarea critică kIc - constantă de material denumită tenacitatea ruperii Materialele pentru care kIcr este mic manifestă tendinţa spre rupere fragilă şi invers kIc se măsoară icircn [Nmm32]
Ruperea fragilă a materialelor metalice Lungimea fisurilor Griffith pentru sticle are ordinul de mărime 10 -3 mm Pentru cazul unui material metalic (policristalin) care prezintă o comportare fragilă aceste fisuri au ordinul de mărime 2hellip3 mm Fisuri de asemenea mărime ar fi imposibil de nedetectat icircn astfel de piese Rezultă că icircn acest caz ruperea decurge icircn două faze - formarea de microfisuri - propagarea lor
a) Germinarea fisurilor Deoarece microfisurile au icircn momentul formării lor dimensiuni de ordinul 10-8hellip10-7 m formarea lor presupune ruperea simultană a 103hellip106 legături interatomice acest fenomen nu poate avea loc spontan ca urmare a agitaţiei termice ci ca urmare a unor procese de deformare plastică fiind deci controlate de tensiuni tangenţiale (figura 5) Icircn materialele metalice (policristaline) care suferă o rupere de tip fragil aceasta (ruperea) este precedată de deformări plastice locale la nivel microscopic insesizabile macroscopic rezultat al deplasării dislocaţiilor care prin acumulare la icircntacirclnirea unui obstacol conduc la
germinarea microfisurilor de clivaj (microfisuri de la care se propagă ruperea prin smulgere sau clivaj)
Figura 5 Tipuri de microfisuri şi obstacole
Observaţie Germinarea microfisurilor de clivaj are loc şi icircn urma următoarelor procese - reacţii icircntre dislocaţii care se deplasează pe plane diferite - reacţii icircntre dislocaţii la intersecţia benzilor de alunecare - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de maclare (mecanism foarte important icircn procesul ruperii la temperatura scăzută a metalelor cu reţea CVC) - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de poligonalizare a structurilor ecruisate
b) Propagarea microfisurilor de clivaj se face icircn două etape - creşterea iniţială icircn grăuntele icircn care s-a format pacircnă la icircntacirclnirea primului obstacol (de obicei limita de grăunte) - depăşirea de către microfisură a acestui obstacol
Figura 6 Variaţia tensiunilor funcţie de lungimea fisurii
Consideracircnd σG - tensiunea necesară germinării fisurii (tensiunea necesară deplasării şi aglomerării
dislocaţiilor la obstacole-se calculează icircn teoria dislocaţiilor) σB - tensiunea necesară depăşirii limitei de grăunteavem următoarele două situaţii
1) σGgtσB prima fisură conduce direct la rupere2) σGltσB fisura nu depăşeşte limita de grăunte Ruperea se va datora germinării icircn alt
grăunte a unei noi fisuri care să fie de condiţia 1)
Observaţie σG şi σB sunt funcţie de d este dimensiunea grăuntelui Rezultă deci că dacă d creşte σG şi σB scadrezultacircnd pericolul unei ruperi fragile
Ruperea materialelor metalice elasto-plastice (ruperea ductilă)
a) Oprirea propagării fisurii 1) Icircn corpuri liniar-elastice izotrope (figura 7) cf - lungimea critică a unei microfisuri pentru care se atinge
tensiunea critică de propagare instabilă
Figura 7 Oprirea propagării fisurii icircn corpuri liniar-elastice izotrope
Tensiunea care menţine fisura icircn mişcare este
scade cu creşterea dimensiunii fisurii 2) Icircn materialele metalice iniţierea ca şi extinderea fisurii sunt determinateicircnsoţite de deformări plastice
Se impune deci corectarea condiţiei energetice formulată de Griffith
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
La materialele policristaline unii grăunţi pot ceda prin smulgereObservaţie Suprafeţele de rupere ale materialelor policristaline au aspecte cristalin
strălucitoare şi mat fibroase3) După deformarea plastică (ruperea la scară macroscopică)
a) ruperi fragile (casante) acestea fiind ruperi prin clivaj (rupere plană) şi au viteze de propagare foarte mari
b) ruperi ductile (plastice) acestea fiind ruperi prin forfecare cu propagare lentă monocristal oblică sau icircn pană agregate policristaline la care pentru
- metale cu tenacitate mare(pure) are loc gacirctuire pacircnă la un punct - metale cu plasticitate moderată(de puritate tehnică) are loc rupere con-cupă (rupere normală)
Teoria ruperii materialelor liniar elastice
a) Rezistenţa teoretică la rupere a metalelor este determinată de coeziunea dintre atomi Consideracircnd variaţia forţei de coeziune dintre atomi funcţie de distanţa r raportată la suprafaţă se obţine forţa de coeziune σcoez la depăşirea căreia se atinge rezistenţa teoretică σt
unde E - modulul de elasticitate longitudinal γs - energia superficială raportată la unitatea de suprafaţă r0 - distanţa de echilibru dintre atomi (parametrul reţelei cristaline)
Exemplu E = 21105 Nmm2 γ = 1 Jm2 = 10-6 Jmm2 r = 310-8 mm σt = 2645 Nmm2 Rezistenţa teoretică are valoare foarte mare cu cel puţin
un ordin de mărime mai mare decacirct
b) Teoria Griffith de rupere a materialelor liniar-elastice izotrope (elaborată icircn 1920) sugerează cauzele care determină diferenţa mare icircntre rezistenţa teoretică la rupere şi cea reală La baza acestei teorii (aplicabilă materialelor amorfe de tipul sticlei) stă ipoteza că acestea conţin microfisuri
- la capetele lor se concentrează tensiunile- se poate depăşi local rezistenţa teoretică la rupereσt- deoarece ruperea nu porneşte simultan pe toată secţiuneatensiunile reale de rupere
sunt mult mai mici decacirct cea teoreticăDin condiţia energetică
δUegeδγs
(variaţia elementară a energiei elastice relaxată la extinderea fisurii mai mare decacirct energia elementară formării noilor suprafeţe de separaţie flancurile fisurii extinse) se obţine
unde σf - tensiunea critică la care are loc creşterea cu viteză foarte mare a fisurii la o solicitare constantă(propagare instabilă a fisurii) c - semiaxa fisurii
Observaţie Rezultatele corespund propagării instabile a unei fisuri eliptice cu axa mare 2c icircntr-o placă subţire (stare plană de tensiune) infinită solicitată la icircntindere uniaxială normală σ
c) Cacircmpul de tensiuni icircn jurul unei fisuri(factorul de intensitate al tensiunilor factor critic de intensitate al tensiunilor)
Figura 3 Propagare a fisurilor
Propagarea (extinderea) fisurii icircn exemplul din figura 3 se face prin deschidere (modul de propagare a fisurilor figura 4)
a prin deschidere b prin alunecare frontală c prin alunecare lateralăFigura 4 Moduri de propagare a fisurilor
Icircn teoria elasticităţii se demonstrează că starea de tensiuni la vacircrful discontinuităţii eliptice din exemplul considerat este
Icircn relaţiile (514) se notează
care poartă numele de factor de intensitate al tensiunilor El este o măsură a creşterii tensiunii locale icircn prezenţa unei discontinuităţi icircn raport cu tensiunea existentă icircn aceeaşi piesă la aceeaşi solicitareicircn absenţa discontinuităţii Acest factor este funcţie de lungimea discontinuităţiisolicitare şi geometria piesei Icircn general relaţia de definire este
unde φ este funcţie de geometria piesei
Consideracircnd relaţia (513) scrisă sub forma
se constată ca membrul stacircng are sensul factorului de intensitate al tensiunilor la propagarea instabilă a fisurii kIcr - factor critic de intensitate al tensiuniloriar membrul drept este dependent numai de caracteristicile materialului Dacă propagarea instabilă a fisurii are loc atunci cacircnd factorul de intensitate al tensiunilor atinge valoarea critică kIc - constantă de material denumită tenacitatea ruperii Materialele pentru care kIcr este mic manifestă tendinţa spre rupere fragilă şi invers kIc se măsoară icircn [Nmm32]
Ruperea fragilă a materialelor metalice Lungimea fisurilor Griffith pentru sticle are ordinul de mărime 10 -3 mm Pentru cazul unui material metalic (policristalin) care prezintă o comportare fragilă aceste fisuri au ordinul de mărime 2hellip3 mm Fisuri de asemenea mărime ar fi imposibil de nedetectat icircn astfel de piese Rezultă că icircn acest caz ruperea decurge icircn două faze - formarea de microfisuri - propagarea lor
a) Germinarea fisurilor Deoarece microfisurile au icircn momentul formării lor dimensiuni de ordinul 10-8hellip10-7 m formarea lor presupune ruperea simultană a 103hellip106 legături interatomice acest fenomen nu poate avea loc spontan ca urmare a agitaţiei termice ci ca urmare a unor procese de deformare plastică fiind deci controlate de tensiuni tangenţiale (figura 5) Icircn materialele metalice (policristaline) care suferă o rupere de tip fragil aceasta (ruperea) este precedată de deformări plastice locale la nivel microscopic insesizabile macroscopic rezultat al deplasării dislocaţiilor care prin acumulare la icircntacirclnirea unui obstacol conduc la
germinarea microfisurilor de clivaj (microfisuri de la care se propagă ruperea prin smulgere sau clivaj)
Figura 5 Tipuri de microfisuri şi obstacole
Observaţie Germinarea microfisurilor de clivaj are loc şi icircn urma următoarelor procese - reacţii icircntre dislocaţii care se deplasează pe plane diferite - reacţii icircntre dislocaţii la intersecţia benzilor de alunecare - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de maclare (mecanism foarte important icircn procesul ruperii la temperatura scăzută a metalelor cu reţea CVC) - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de poligonalizare a structurilor ecruisate
b) Propagarea microfisurilor de clivaj se face icircn două etape - creşterea iniţială icircn grăuntele icircn care s-a format pacircnă la icircntacirclnirea primului obstacol (de obicei limita de grăunte) - depăşirea de către microfisură a acestui obstacol
Figura 6 Variaţia tensiunilor funcţie de lungimea fisurii
Consideracircnd σG - tensiunea necesară germinării fisurii (tensiunea necesară deplasării şi aglomerării
dislocaţiilor la obstacole-se calculează icircn teoria dislocaţiilor) σB - tensiunea necesară depăşirii limitei de grăunteavem următoarele două situaţii
1) σGgtσB prima fisură conduce direct la rupere2) σGltσB fisura nu depăşeşte limita de grăunte Ruperea se va datora germinării icircn alt
grăunte a unei noi fisuri care să fie de condiţia 1)
Observaţie σG şi σB sunt funcţie de d este dimensiunea grăuntelui Rezultă deci că dacă d creşte σG şi σB scadrezultacircnd pericolul unei ruperi fragile
Ruperea materialelor metalice elasto-plastice (ruperea ductilă)
a) Oprirea propagării fisurii 1) Icircn corpuri liniar-elastice izotrope (figura 7) cf - lungimea critică a unei microfisuri pentru care se atinge
tensiunea critică de propagare instabilă
Figura 7 Oprirea propagării fisurii icircn corpuri liniar-elastice izotrope
Tensiunea care menţine fisura icircn mişcare este
scade cu creşterea dimensiunii fisurii 2) Icircn materialele metalice iniţierea ca şi extinderea fisurii sunt determinateicircnsoţite de deformări plastice
Se impune deci corectarea condiţiei energetice formulată de Griffith
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
unde σf - tensiunea critică la care are loc creşterea cu viteză foarte mare a fisurii la o solicitare constantă(propagare instabilă a fisurii) c - semiaxa fisurii
Observaţie Rezultatele corespund propagării instabile a unei fisuri eliptice cu axa mare 2c icircntr-o placă subţire (stare plană de tensiune) infinită solicitată la icircntindere uniaxială normală σ
c) Cacircmpul de tensiuni icircn jurul unei fisuri(factorul de intensitate al tensiunilor factor critic de intensitate al tensiunilor)
Figura 3 Propagare a fisurilor
Propagarea (extinderea) fisurii icircn exemplul din figura 3 se face prin deschidere (modul de propagare a fisurilor figura 4)
a prin deschidere b prin alunecare frontală c prin alunecare lateralăFigura 4 Moduri de propagare a fisurilor
Icircn teoria elasticităţii se demonstrează că starea de tensiuni la vacircrful discontinuităţii eliptice din exemplul considerat este
Icircn relaţiile (514) se notează
care poartă numele de factor de intensitate al tensiunilor El este o măsură a creşterii tensiunii locale icircn prezenţa unei discontinuităţi icircn raport cu tensiunea existentă icircn aceeaşi piesă la aceeaşi solicitareicircn absenţa discontinuităţii Acest factor este funcţie de lungimea discontinuităţiisolicitare şi geometria piesei Icircn general relaţia de definire este
unde φ este funcţie de geometria piesei
Consideracircnd relaţia (513) scrisă sub forma
se constată ca membrul stacircng are sensul factorului de intensitate al tensiunilor la propagarea instabilă a fisurii kIcr - factor critic de intensitate al tensiuniloriar membrul drept este dependent numai de caracteristicile materialului Dacă propagarea instabilă a fisurii are loc atunci cacircnd factorul de intensitate al tensiunilor atinge valoarea critică kIc - constantă de material denumită tenacitatea ruperii Materialele pentru care kIcr este mic manifestă tendinţa spre rupere fragilă şi invers kIc se măsoară icircn [Nmm32]
Ruperea fragilă a materialelor metalice Lungimea fisurilor Griffith pentru sticle are ordinul de mărime 10 -3 mm Pentru cazul unui material metalic (policristalin) care prezintă o comportare fragilă aceste fisuri au ordinul de mărime 2hellip3 mm Fisuri de asemenea mărime ar fi imposibil de nedetectat icircn astfel de piese Rezultă că icircn acest caz ruperea decurge icircn două faze - formarea de microfisuri - propagarea lor
a) Germinarea fisurilor Deoarece microfisurile au icircn momentul formării lor dimensiuni de ordinul 10-8hellip10-7 m formarea lor presupune ruperea simultană a 103hellip106 legături interatomice acest fenomen nu poate avea loc spontan ca urmare a agitaţiei termice ci ca urmare a unor procese de deformare plastică fiind deci controlate de tensiuni tangenţiale (figura 5) Icircn materialele metalice (policristaline) care suferă o rupere de tip fragil aceasta (ruperea) este precedată de deformări plastice locale la nivel microscopic insesizabile macroscopic rezultat al deplasării dislocaţiilor care prin acumulare la icircntacirclnirea unui obstacol conduc la
germinarea microfisurilor de clivaj (microfisuri de la care se propagă ruperea prin smulgere sau clivaj)
Figura 5 Tipuri de microfisuri şi obstacole
Observaţie Germinarea microfisurilor de clivaj are loc şi icircn urma următoarelor procese - reacţii icircntre dislocaţii care se deplasează pe plane diferite - reacţii icircntre dislocaţii la intersecţia benzilor de alunecare - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de maclare (mecanism foarte important icircn procesul ruperii la temperatura scăzută a metalelor cu reţea CVC) - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de poligonalizare a structurilor ecruisate
b) Propagarea microfisurilor de clivaj se face icircn două etape - creşterea iniţială icircn grăuntele icircn care s-a format pacircnă la icircntacirclnirea primului obstacol (de obicei limita de grăunte) - depăşirea de către microfisură a acestui obstacol
Figura 6 Variaţia tensiunilor funcţie de lungimea fisurii
Consideracircnd σG - tensiunea necesară germinării fisurii (tensiunea necesară deplasării şi aglomerării
dislocaţiilor la obstacole-se calculează icircn teoria dislocaţiilor) σB - tensiunea necesară depăşirii limitei de grăunteavem următoarele două situaţii
1) σGgtσB prima fisură conduce direct la rupere2) σGltσB fisura nu depăşeşte limita de grăunte Ruperea se va datora germinării icircn alt
grăunte a unei noi fisuri care să fie de condiţia 1)
Observaţie σG şi σB sunt funcţie de d este dimensiunea grăuntelui Rezultă deci că dacă d creşte σG şi σB scadrezultacircnd pericolul unei ruperi fragile
Ruperea materialelor metalice elasto-plastice (ruperea ductilă)
a) Oprirea propagării fisurii 1) Icircn corpuri liniar-elastice izotrope (figura 7) cf - lungimea critică a unei microfisuri pentru care se atinge
tensiunea critică de propagare instabilă
Figura 7 Oprirea propagării fisurii icircn corpuri liniar-elastice izotrope
Tensiunea care menţine fisura icircn mişcare este
scade cu creşterea dimensiunii fisurii 2) Icircn materialele metalice iniţierea ca şi extinderea fisurii sunt determinateicircnsoţite de deformări plastice
Se impune deci corectarea condiţiei energetice formulată de Griffith
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
Icircn relaţiile (514) se notează
care poartă numele de factor de intensitate al tensiunilor El este o măsură a creşterii tensiunii locale icircn prezenţa unei discontinuităţi icircn raport cu tensiunea existentă icircn aceeaşi piesă la aceeaşi solicitareicircn absenţa discontinuităţii Acest factor este funcţie de lungimea discontinuităţiisolicitare şi geometria piesei Icircn general relaţia de definire este
unde φ este funcţie de geometria piesei
Consideracircnd relaţia (513) scrisă sub forma
se constată ca membrul stacircng are sensul factorului de intensitate al tensiunilor la propagarea instabilă a fisurii kIcr - factor critic de intensitate al tensiuniloriar membrul drept este dependent numai de caracteristicile materialului Dacă propagarea instabilă a fisurii are loc atunci cacircnd factorul de intensitate al tensiunilor atinge valoarea critică kIc - constantă de material denumită tenacitatea ruperii Materialele pentru care kIcr este mic manifestă tendinţa spre rupere fragilă şi invers kIc se măsoară icircn [Nmm32]
Ruperea fragilă a materialelor metalice Lungimea fisurilor Griffith pentru sticle are ordinul de mărime 10 -3 mm Pentru cazul unui material metalic (policristalin) care prezintă o comportare fragilă aceste fisuri au ordinul de mărime 2hellip3 mm Fisuri de asemenea mărime ar fi imposibil de nedetectat icircn astfel de piese Rezultă că icircn acest caz ruperea decurge icircn două faze - formarea de microfisuri - propagarea lor
a) Germinarea fisurilor Deoarece microfisurile au icircn momentul formării lor dimensiuni de ordinul 10-8hellip10-7 m formarea lor presupune ruperea simultană a 103hellip106 legături interatomice acest fenomen nu poate avea loc spontan ca urmare a agitaţiei termice ci ca urmare a unor procese de deformare plastică fiind deci controlate de tensiuni tangenţiale (figura 5) Icircn materialele metalice (policristaline) care suferă o rupere de tip fragil aceasta (ruperea) este precedată de deformări plastice locale la nivel microscopic insesizabile macroscopic rezultat al deplasării dislocaţiilor care prin acumulare la icircntacirclnirea unui obstacol conduc la
germinarea microfisurilor de clivaj (microfisuri de la care se propagă ruperea prin smulgere sau clivaj)
Figura 5 Tipuri de microfisuri şi obstacole
Observaţie Germinarea microfisurilor de clivaj are loc şi icircn urma următoarelor procese - reacţii icircntre dislocaţii care se deplasează pe plane diferite - reacţii icircntre dislocaţii la intersecţia benzilor de alunecare - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de maclare (mecanism foarte important icircn procesul ruperii la temperatura scăzută a metalelor cu reţea CVC) - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de poligonalizare a structurilor ecruisate
b) Propagarea microfisurilor de clivaj se face icircn două etape - creşterea iniţială icircn grăuntele icircn care s-a format pacircnă la icircntacirclnirea primului obstacol (de obicei limita de grăunte) - depăşirea de către microfisură a acestui obstacol
Figura 6 Variaţia tensiunilor funcţie de lungimea fisurii
Consideracircnd σG - tensiunea necesară germinării fisurii (tensiunea necesară deplasării şi aglomerării
dislocaţiilor la obstacole-se calculează icircn teoria dislocaţiilor) σB - tensiunea necesară depăşirii limitei de grăunteavem următoarele două situaţii
1) σGgtσB prima fisură conduce direct la rupere2) σGltσB fisura nu depăşeşte limita de grăunte Ruperea se va datora germinării icircn alt
grăunte a unei noi fisuri care să fie de condiţia 1)
Observaţie σG şi σB sunt funcţie de d este dimensiunea grăuntelui Rezultă deci că dacă d creşte σG şi σB scadrezultacircnd pericolul unei ruperi fragile
Ruperea materialelor metalice elasto-plastice (ruperea ductilă)
a) Oprirea propagării fisurii 1) Icircn corpuri liniar-elastice izotrope (figura 7) cf - lungimea critică a unei microfisuri pentru care se atinge
tensiunea critică de propagare instabilă
Figura 7 Oprirea propagării fisurii icircn corpuri liniar-elastice izotrope
Tensiunea care menţine fisura icircn mişcare este
scade cu creşterea dimensiunii fisurii 2) Icircn materialele metalice iniţierea ca şi extinderea fisurii sunt determinateicircnsoţite de deformări plastice
Se impune deci corectarea condiţiei energetice formulată de Griffith
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
germinarea microfisurilor de clivaj (microfisuri de la care se propagă ruperea prin smulgere sau clivaj)
Figura 5 Tipuri de microfisuri şi obstacole
Observaţie Germinarea microfisurilor de clivaj are loc şi icircn urma următoarelor procese - reacţii icircntre dislocaţii care se deplasează pe plane diferite - reacţii icircntre dislocaţii la intersecţia benzilor de alunecare - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de maclare (mecanism foarte important icircn procesul ruperii la temperatura scăzută a metalelor cu reţea CVC) - formarea de concentraţii de dislocaţii icircn procesul de poligonalizare a structurilor ecruisate
b) Propagarea microfisurilor de clivaj se face icircn două etape - creşterea iniţială icircn grăuntele icircn care s-a format pacircnă la icircntacirclnirea primului obstacol (de obicei limita de grăunte) - depăşirea de către microfisură a acestui obstacol
Figura 6 Variaţia tensiunilor funcţie de lungimea fisurii
Consideracircnd σG - tensiunea necesară germinării fisurii (tensiunea necesară deplasării şi aglomerării
dislocaţiilor la obstacole-se calculează icircn teoria dislocaţiilor) σB - tensiunea necesară depăşirii limitei de grăunteavem următoarele două situaţii
1) σGgtσB prima fisură conduce direct la rupere2) σGltσB fisura nu depăşeşte limita de grăunte Ruperea se va datora germinării icircn alt
grăunte a unei noi fisuri care să fie de condiţia 1)
Observaţie σG şi σB sunt funcţie de d este dimensiunea grăuntelui Rezultă deci că dacă d creşte σG şi σB scadrezultacircnd pericolul unei ruperi fragile
Ruperea materialelor metalice elasto-plastice (ruperea ductilă)
a) Oprirea propagării fisurii 1) Icircn corpuri liniar-elastice izotrope (figura 7) cf - lungimea critică a unei microfisuri pentru care se atinge
tensiunea critică de propagare instabilă
Figura 7 Oprirea propagării fisurii icircn corpuri liniar-elastice izotrope
Tensiunea care menţine fisura icircn mişcare este
scade cu creşterea dimensiunii fisurii 2) Icircn materialele metalice iniţierea ca şi extinderea fisurii sunt determinateicircnsoţite de deformări plastice
Se impune deci corectarea condiţiei energetice formulată de Griffith
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
Consideracircnd σG - tensiunea necesară germinării fisurii (tensiunea necesară deplasării şi aglomerării
dislocaţiilor la obstacole-se calculează icircn teoria dislocaţiilor) σB - tensiunea necesară depăşirii limitei de grăunteavem următoarele două situaţii
1) σGgtσB prima fisură conduce direct la rupere2) σGltσB fisura nu depăşeşte limita de grăunte Ruperea se va datora germinării icircn alt
grăunte a unei noi fisuri care să fie de condiţia 1)
Observaţie σG şi σB sunt funcţie de d este dimensiunea grăuntelui Rezultă deci că dacă d creşte σG şi σB scadrezultacircnd pericolul unei ruperi fragile
Ruperea materialelor metalice elasto-plastice (ruperea ductilă)
a) Oprirea propagării fisurii 1) Icircn corpuri liniar-elastice izotrope (figura 7) cf - lungimea critică a unei microfisuri pentru care se atinge
tensiunea critică de propagare instabilă
Figura 7 Oprirea propagării fisurii icircn corpuri liniar-elastice izotrope
Tensiunea care menţine fisura icircn mişcare este
scade cu creşterea dimensiunii fisurii 2) Icircn materialele metalice iniţierea ca şi extinderea fisurii sunt determinateicircnsoţite de deformări plastice
Se impune deci corectarea condiţiei energetice formulată de Griffith
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
δγp - variaţia elementară a energiei de deformare plastică De aici rezultă
Din relaţiile (520) şi (521) rezultă că apariţia deformaţiilor plastice la vacircrful fisurii poate conduce la situaţia
σm gt σf rezultatul firesc fiind decelerarea propagării fisurilor şi oprirea ruperii Rezultă deci că deformările plastice la nivelul fisurii 1) măresc tenacitatea materialului care este identică cu capacitatea de a se opune propagării fisurii 2) măresc raza de curbură la vacircrful fisurii rezultă că acuitatea fisurii scade (concentrator şi grad de triaxialitate) Icircn funcţie de această capacitate a materialelor metalice(de a suferi deformări plastice la vacircrful fisurii) ele se clasifică icircn
1) materiale de icircnaltă rezistenţă - oţeluri cu Regt1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Regt560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Regt750 Nmm2
2) materiale de medie rezistenţă - oţeluri cu Re=630 hellip 1250 Nmm2 - aliaje de aluminiu (Al) cu Re=210 hellip 560 Nmm2 - aliaje de titan (Ti) cu Re=385 hellip 750 Nmm2
3) materiale de joasa rezistenţă Observaţii
1) Clasificarea este relativă şi corespunde caracteristicilor mecanice la t0=200Cdeoarece comportarea la rupere este dependentă de temperatură 2) Teoria ruperii materialelor liniar-elastice cu luarea icircn consideraţie şi a deformării plastice la vacircrful fisurii se aplică numai materialelor de icircnaltă rezistenţă care pot fi considerate materiale fragile reale 3) Această teorie nu se aplică materialelor de medie şi joasă rezistenţă materiale denumite curent ductile(la temperatura ambiantă)
b) Formarea şi propagarea fisurilor la ruperea ductilă Germinarea microfisurilor are loc prin aceleaşi mecanisme expuse la ruperea fragilă Microfisurile se numesc micropori Formarea lor are loc prin aglomerarea dislocaţiilor la interfaţa cu incluziuni Justificarea metalele pure au gacirctuire ~100 faţă de cele tehnice la care Z este mult mai mic (vezi şi ruperea con-cupă)
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
Propagarea fisurilor are loc prin coalescenţa microporilornu se produce la o tensiune bine definită ca ruperea fragilă ci treptat la tensiuni din ce icircn ce mai mari(materialele reale se ecruisează) rezultacircnd că propagarea ruperii ductile are deci un caracter stabil
c) Deplasarea de deschidere a fisurii Criteriu DCVF Icircn cazul materialelor de medie rezistenţă prezenţa enclavei plastice la vacircrful fisurii permite suprafeţelor de rupere să se deplaseze independent de mişcarea vacircrfuluirespectiv fără deplasarea acestuia pe direcţia x Această mişcare relativă a suprafeţelor de rupere determină la vacircrful fisurii o deplasare de deschidere a fisurii δ=2v (figura 8)
Figura 8 Deplasarea deschiderii fisurii
Procesul ruperii fiind legat de deformarea plastică rezultă că un criteriu de propagare a fisurii trebuie sa fie legat de mărimea deformării plastice la vacircrful fisurii Observaţie Dacă R creşte acuitatea concentratorului şi gradul de triaxialitate scade Stabilirea acestui criteriu se face conform celor prezentate icircn figura 9
Figura 9 Influenţa mărimii deformării plastice a vacircrfului fisurii asupra propagării fisurii
Fisura icircncepe să se propage cacircnd se rupe prima epruvetă imaginară care va antrena ruperea următoarelor
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
Consideracircnd momentul anterior ruperii-gacirctuirearezultă fisura care va avea o deplasare de deschidere critică δc sau DCVF care este o importantă caracteristică de material (ca şi kIc) Observaţie Cele mai simple metode pentru luarea icircn considerare a efectelor plastice de la vacircrful fisurii s-au dezvoltat icircn cadrul teoriei elasticităţii şi constau icircn introducerea unor corecţii ale relaţiilor din teoria ruperii corpului liniar elastic perfect prin considerareaicircn locul fisurii reale şi a enclavei plastice a unei fisuri fictive de lungime mai mare (modelele Irwin Wells Dugdale)
Căile de creştere a rezistenţei metalelor şi aliajelor
1) Crearea de materiale ideale (fără defecte)2) Creşterea densităţii de dislocaţii (pl 1012-1013cm-2 mai departe apar fisuri) prin deformare plastică tratamente termice şi termomecanice3) Utilizarea materialelor compozite matrice metalică plastică (Al Mg Ni şi aliaje) icircn care sunt icircnglobate mustăţi sau fibre cu rezistenţă ridicată (figura 10)
Figura 10 Rezistenţele diferitelor tipuri de materiale
