Aspecte microstructurale ale enacitatii la rupere

ASPECTE MICROSTRUCTURALE ALE ENACITATII LA RUPERE

1. Generalitati

Înainte de a considera modificarile microstructurale ce pot duce la îmbunatatirea tenacitatii la rupere a diferitelor materiale, este important sa amintim câteva aspecte ale structurii materialelor ce au influenta fundamenatala asupra rezistentei la rupere. S-a aratat ca atât caracteristicile de deformabilitate, cât si cele de rupere ale unui anumit material depind de tipul de legatura interatomica, de structura cristalina si de gradul de ordonare al materialului, asa cum se poate observa din tabel 1

Tabelul 1. Tendinta de rupere fragila în functie de caracteristicile structurale

Din Tabelul 1 se poate observa ca cu cât electronii de valenta sunt fixati mai rigid, cu atât materialul va fi mai fragil.

Deoarece legatura covalenta implica utilizarea în comun a electronilor numai între atomi vecini, materiale precum diamantul, siliciul, carburile, nitrurile, silicatii tind sa fie foarte fragile.

Legatura ionica este mai putin restrictiva în privinta pozitiei electronilor de valenta, electronii sunt transferati de la un anion electropozitiv la un cation electronegativ. În plus, o capacitate mai mare de deformare se întâlneste la materialele monovalente decât la cele multivalente legate ionic.

Legatura metalica asigura cea mai scazuta restrictie impusa deplasarii electronilor de valenta, deoarece electronii de valenta sunt împartiti în mod egal între toti atomii solidului metalic. Aceste materiale au deformabilitatea cea mai ridicata.

Pe de alta parte, comportarea fragila se întâlneste la cristalele cu simetrie scazuta, deoarece alunecarea este mai dificila, pe când la cristalele cu simetrie ridicata si grad înalt de împachetare deformabilitatea este ridicata.

În sfârsit, deformabilitatea va scadea pe masura ce gradul de ordonare atomica va creste. În consecinta, adaosul de elemente în solutia solida va genera suprimarea caracteristicilor de deformabilitate, deoarece solutia solida va evolua de la una cu distributie aleatoare la una de ordine apropiata si, în final, de ordine la mare distanta.

În privinta caracteristicilor de rezistenta si tenacitate, s-a aratat ca o crestere importanta a rezistentei duce la o scadere a tenacitatii, Figura 1.

K_c

R_p

Fig.1. Relatia dintre tenacitate si rezistenta mecanica

Optimizarea caracteristicilor unui material implica deplasarea curbei din Fig.1. în directia aratata de sageata.

Aceasta optimizare poate fi realizata în mai multe feluri, de exemplu.:

-Îmbunatatirea compozitiei chimice în vederea reducerii ponderii elementelor cu efect indezirabil asupra tenacitatii.

-Dezvoltarea unui optim al microstructurii si distributiei fazelor pentru a mari tenacitatea.

-Micsorarea marimii de graunte.

2. Tenacitatea si anizotropia microstructurala

Tenacitatea poate fi îmbunatatita prin modificarea directiei de propagare a fisurilor, pe baza anizotropiei materialului.

Cunoscându-se faptul ca tenacitatea unui material creste odata cu scaderea gradului de triaxialitate la vârful fisurii (de ex.., în cazul utilizarii placilor subtiri în care s_z 0) o posibilitate de a îmbunatati tenacitatea este aceea de a reduce marimea componentelor s_x si/sau s_z induse la vârful fisurii.

Un mod de realizare este acela de a introduce interfete cu rezistenta scazuta în directia probabila de propagare a fisurii, ceea ce poate duce la blocarea fisurii.

Fig.2. Blocarea fisurilor de catre interfete cu rezistenta scazuta

Embury si colaboratorii au aratat cât de dramatic se poate îmbunatati tenacitatea prin delaminare, aceasta putând efectiv sa opreasca propagarea fisurii.

Încercari de rezilienta efectuate pe epruvete cu un astfel de strat au dus la temperaturi de tranzitie cu 120 ⁰C mai scazute decât cele ale otelului omogen.

Exemplu de aplicatie:

Vas de presiune realizat din doua straturi de otel sudate si fretate.

Avantaje: - doar stratul interior se realizeaza din otel scump, rezistent la coroziune;

- se creaza în stratul interior tensiuni de compresiune care contrabalanseaza  presiunea interioara;

- interfata dintre cele doua straturi opreste fisurile;

- microstructura tablelor subtiri este mai buna decât a celor groase.

KV [J] 220 20

■-omogen

□-2 straturi

○-4 straturi

▲-6 straturi

▲○ □ ■

-140                    -60 60 [˚C]

Fig.3. Curbe de tranzitie ductil-fragil pentru un material omogen si materiale multistrat

Observatie La temperaturi joase, indiferent de numarul de straturi, se obtine aceeasi tenacitate. Ceea ce înseamna ca se atinge starea plana de deformare pentru toate straturile la aceste temperaturi, independent de grosimea lor.

Rezistenta interfetei este un important parametru în procesul de delaminare.

Pe de o parte, interfata nu trebuie sa fie asa de slaba încât componentele sa alunece una fata de cealalta, iar pe de alta parte, nu trebuie sa fie nici asa de puternica încât delaminarea sa nu se produca.

Exemplu: Un panou realizat din placi de aliaj de aluminiu lipite cu un adeziv au avut o tenacitate mult mai mare decât cea a unei placi cu aceeasi grosime totala. Pe când, acelasi material multistrat laminat (deci cu o interfata puternica) nu a manifestat nici o îmbunatatire a tenacitatii.

Chiar în cazul materialelor omogene se pot obtine valori diferite ale tenacitatii, în functie de modul de prelevare a epruvetelor fig.4.

L-T

T-L

directia de laminare S-T

Fig.4. Modul de prelevare al epruvetelor CT dintr-o tabla laminata

În tabelul 2. sunt date rezultatele experimentale obtinute în urma încercarii unor epruvete CT prelevate din diferite placi si din diferite zone ale unor produse plate conform Fig.4.

Tabelul 2. Valorile lui K_Ic pentru diferite placi din otel si diferite moduri de prelevare a epruvetelor

3. Îmbunatatirea puritatii aliajelor

Desi unele elemente de aliere sunt adaugate în mod intentionat, în vederea îmbunatatirii microstructurii si proprietatilor aliajelor, o serie de elemente reziduale au influenta negativa.

Astfel, hidrogenul în oteluri poate avea un efect negativ asupra tenacitatii acestora.

De asemenea, continutul de sulf si deci al sulfurilor în oteluri duce la scaderea importanta a valorii palierului superior din diagrama KV - T.

În afara de S, un efect similar îl au P, H, N, O si alte elemente reziduale. Pentru reducerea influentei elementelor reziduale asupra tenacitatii se utilizeaza diferite procedee de rafinare a acestuia cum ar fi tratarea în vid, retopirea electrica sub zgura (REZ) sau retopirea electrica în vid (RAV).

Nu numai prezenta elementelor reziduale sub forma de solutie solida sau compusi poate reduce tenacitatea otelurilor ci si alte caracteristici structurale, cum ar fi incluziunile nemetalice (oxizi, sulfuri,nitruri, silicati plastici si fragili) precum si particulele de faza secundara, de exemplu carburile la limitele de graunte sau separate în interiorul acestora. Aceste particule de faza secundara constitue zone de initiere ale fisurilor.

KV          110 [J] 50 10

5

4 1. 0,179%S

3 2. 0,112%S

2 3. 0,054%S

1 4. 0,024%S

5. 0,005%S

Fig. 5. Variatia curbelor de tranzitie ductil-fragil în functie de continutul de sulf al otelurilor

K_Ic 90

[MPa√m]                                                                               _ _ 0.008%S

70

___ 0,025%S

50

30

10

1400 1600 1800 2000 R_m[MPa]

Fig.6. Variatia lui K_Ic în functie de continutul de sulf si rezistenta la rupere

Astfel, în Figura 7. este redata probabilitatea de initiere a fisurilor în functie de tensiunea aplicata, pentru diferite conditii de initiere a acestora.

1 2 3 4 5 6

	tensiunea aplicata

Fig. 7. Elemente structurale ce determina initierea fisurilor:

(1) - Fragilizarea limitelor de graunti

(2) - Particule de faza secundara fragile

(3) - Intersectii între macle

(4) - Intersectii între macle si limitele de graunti

(5) - Alunecarea la limitele de graunti

(6) - Intersectia între benzile de alunecare

4. Optimizarea microstructurii pentru a obtine maximul de tenacitate

Au fost efectuate mai multe studii care au încercat sa determine care sunt elementele de aliere si microstructurile cele mai favorabile unei combinatii între rezistenta si tenacitate.

Câteva caracteristici generale pot fi enuntate astfel în cazul otelurilor. De exemplu, influenta concentratiei elementelor de aliere in solutia solida este ilustrata în Figura 8.

Rp[MPa]

(2) (2)

(1)-continut scazut de elemente de aliere în solutie;                                                                    (2)-continut ridicat de elemente de aliere în solutie.

Fig.8. Influenta continutului de elemente de aliere asupra tenacitatii si rezistentei mecanice

Totodata poate fi prezentata influenta principalelor elemente de aliere, din oteluri, asupra caracteristicilor mecanice si tehnologice ale acestora si anume:

C - mareste calibilitatea si rezistenta, dar carburile servesc ca centre de nucleere a fisurilor.

Ni - mareste puternic tenacitatea, scade temperatura de tranzitie, creste rezistenta, stabilizeaza austenita.

Cr - asigura rezistenta la coroziune în otelurile inoxidabile, mareste rezistenta otelurilor calite si revenite (C + R), formeaza carburi.

Mo - mareste rezistenta otelurilor C + R, suprima fragilitatea de revenire, creste rezistenta solutiei solide, formeaza carburi.

Si - dezoxidant, creste R_p si temperatura de tranzitie atunci când se afla în solutie.

Mn - dezoxidant, formeaza MnS, ce suprima fragilitatea la cald datorata formarii de FeS, scade T_t, creste R_m.

Ti, V – formeaza carbonitruri,care cresc rezistenta (R_p si R_m).

Al - formeaza AlN ce blocheaza limitele de graunte, mentinând o granulatie fina în otelurile feritice, scoate din solutie N, scazând rezistenta retelei la miscarea dislocatiilor, micsoreaza T_t.

5. Micsorarea granulatiei

Micsorarea granulatiei este unica modalitate prin care unui material cristalin i se poate creste atât rezistenta cât si tenacitatea. Existenta unui numar mare de limite de graunte determina blocarea partiala a fisurilor în momentul în care le traverseaza, ceea ce mareste tenacitatea

1.-tenacitate 2.-limita de curgere 3.-sudabilitate 4.-ductilitate

caracteristica 1. .

2

3.

4.

scaderea granulatiei

Fig.  9. Influenta marimii de graunte asupra marimii caracteristicilor mecanice si tehnologice

Aceeasi îmbunatatire ca si în cazul celei prezentate în Figura 9. se obtine si în cazul K_IC.

O explicatie a acestui comportament este aceea ca microfisurile se opresc la limita de graunte mult mai des în materialele cu granulatie fina, fisura fiind obligata sa se reinitieze continuu.

Cottrell si Petch, utilizând teoria dislocatiilor, au propus o relatie care tine seama de efectul temperaturii si caracteristicilor de material asupra ruperii prin clivaj.

Ei au gasit ca tensiunea de rupere este data de

R_p = s_i + k_y d^-1/2

s_f - tensiunea de rupere prin clivaj

G - modulul de elasticitate

g_m - lucrul mecanic plastic în zona fisurii în timpul deplasarii ei prin graunte

k_y - termenul ce tine cont de blocarea dislocatiilor în relatia Hall - Petch

d - marimea de graunte

s_i - rezistenta retelei la miscarea dislocatiilor (tensiunea Peierls-Nabarro)

O verificare a acestei relatii s-a obtinut prin determinari experimentale ale rezistentei la rupere a unui otel cu continut scazut de carbon solicitat la o temperatura de -196șC(azot lichid), utilizându-se epruvete cu diferite granulatii, Fig. 10.

Observatie - pentru graunti mari, ruperea nu este precedata de curgerea plastica

s = R_p = s_f

- pentru grauntii mai mici are loc initial o deformare plastica si apoi ruperea, tenacitatea crescând cu raportul s_f/R_p

Deoarece atât s_f cât si R_p sunt dependente de temperatura, marimea critica de graunte va varia cu temperatura de încercare. În consecinta, T_t va scadea odata cu scaderea lui d (Fig. 11.).

σ

(MPa)

1200 – ____σ_f

1000 – - - - -R_p

800 –

600 – 0.6ε_f

400 –                                                                       

0.4

200 -                                                                        

0.2

0 1 2 3 4 5

(1/d)^-1/2(mm^-1/2)

Fig. 10. Variatia rezistentei la rupere în functie de marimea de graunte, în cazul otelurilor solicitate la temperaturi joase

T_t 80-

[șC]

40-

0 -

-40 | | | |

2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 ln d^-1/2(cm^-1/2)

Fig.11. Scaderea temperaturii de tranzitie o data cu scaderea marimii de graunte

Tetelman si McEvily au aratat ca g_m trebuie sa creasca odata cu cresterea numarului de surse de dislocatii neblocate, cu temperatura si scaderea vitezei de deplasare a fisurii.

Evident, cu cât mai multe dislocatii vor fi generate la vârful fisurii, cu atât aceasta se va toci.

Daca dislocatiile sunt blocate de atomi interstitiali ca (N, C în oteluri) sau sunt imobile ca în materialele ionice si covalente, datorita valorii mari a tensiunii Peierls, g_m si s_f scad.

Efectul temperaturii se regaseste în scaderea tensiunii Peierls si cresterea vitezei dislocatiilor (v).

v = m, D - constante de material

t - tensiunea de forfecare

Cu cresterea lui T,deci a temperaturii, D scade, dislocatiile se deplaseaza mai repede pentru a bloca fisura.

În concluzie, orice mecanism ce duce la marirea numarului de dislocatii mobile, a mobilitatii lor si a vitezei lor de deplasare duce la cresterea lui g_m si în consecinta a lui s_f

6.Corelatii între K_IC si caracteristicile mecanice

Deoarece încercarile pentru determinarea lui K_IC sunt laborioase, s-a încercat estimarea valorilor lui din încercarile de tractiune uniaxiala.

Hahn si Rosenfield au propus urmatoarea relatie:

K_IC = n s = keⁿ

n - coeficientul de ecruisare;

E-modulul de elasticitate;

R_p-limita de curgere;

e_f - deformatia la rupere în cazul încercarii la tractiune uniaxiala.

e_f/3 a fost introdus pentru a estima conditiile starii plane de deformare, ductilitatea în cazul acestei stari fiind 1/3 din cea de la tractiune uniaxiala.

Valorile calculate ale lui K_IC cu aceasta formula se încadreaza într-un interval de 30% fata de cele determinate experimental.

Un alt model, propus de catre Krafft, presupune ca ruperea se produce în interiorul unui mic ligament în fata vârfului fisurii, când deformatia în aceasta regiune este egala cu deformatia în zona de instabilitate (gâtuire) dintr-o bara neteda, Figura 12..

Se considera ca deformatia de instabilitate este egala cu n din relatia s = keⁿ d_T fiind lungimea ligamentului, în care e n (dimensiunea zonei de proces)

	dT

dddd

dd K_IC En

Fig.12. Dimensiunea zonei de proces în modelul lui Kraft

Tot Krafft a postulat existenta unei corelatii între d_T si d_F, unde d_F este diametrul unui microgol de pe suprafata de rupere.

d_F

Ca o confirmare a acestui model, s-a gasit ca valorile lui K_IC cresc cu dimensiunea microgolurilor.

Hahn si Rosenfield au constatat ca tenacitatea este mai dependenta de ductilitatea în stare plana de deformare decât de cea obtinuta la tractiune uniaxiala, deoarece prima reflecta mai exact starea de tensiune la vârful fisurii.

Astfel, s-a observat ca deformatia la rupere scade puternic (de cinci sau de mai multe ori) atunci când epruveta este supusa la tractiune biaxiala (s₁ s₂ s₃ = 0) decât uniaxiala (s₂ s₃ = 0).

Alte încercari au fost efectuate pentru a se estima K_IC pe baza unor masuratori pe fractografii în combinatie cu modelele tenacitatii la rupere ce tin seama de COD.

Observatie: Aceste estimari sunt nesigure, din cauza faptului ca masuratorile sunt dificile si dimensiunea zonei variaza mult de-a lungul frontului fisurii.