Tema Mr

Siguranța și Integritatea Structurilor

Mecanica Ruperii Ruperea la nivelul structurii granulelor Ruperea intrascristalină și intercristalină

Profesor: Prof. dr. ing. Constantinescu D.M.

Masterand: Mihai-Alexandru SFETCU

Ruperea intracristalină și intercristalină [1], [2] 1. Generalități Mecanica ruperii este un domeniu al științei materialelor care are ca obiect de studiu analiza și prezicerea cedării materialelor prin rupere. Metalele prezintă mai multe tipuri de rupere în funcție de: o o o o

material; temperatură; starea de tensiune; viteza de aplicare a sarcinii.

Din punct de vedere macroscopic ruperea materialelor poate fi: a) ductilă; Ruperea ductilă este însoțită de deformații mari, fiind necesare energii de rupere ridicate. Policristalele din metale foarte ductile (aurul, aluminiul, plumbul), solicitate la tracțiune, se pot gâtui foarte mult, secțiunea transversală reducându-se la un punct inaintea ruperii. La cele cu ductilitate medie, zona gatuita este redusa, ruperea incepand din centrul epruvetei si se propaga catre exterior, producandu-se o rupere prin separare, prin forfecare, zona de rupere purtand numele de con-cupa, figura 1.

figura 1 Rupere ductilă [3]

b) fragilă; Ruperea fragila este caracterizata de o suprafata de rupere perpendiculara pe tensiunea normala de intindere, figura 2. Deformatiile in acest caz sunt foarte mici sau lipsesc, iar energia de rupere este redusa. Limita dintre o rupere ductila si una fragila este arbitrara, ea depinzand de modul de solicitare si de punctul de vedere considerat.

figura 2 Rupere fragilă [3]

c) la oboseală;

Ruperea prin oboseala, figura 3) se produce progresiv sub actiunea unor solicitari variabile, chiar daca tensiunea de intindere sau compresiune este mai mica decat limita de elasticitate a materialului. Tensiunile locale pot fi mai mari decat limita de curgere a materialului datorita concentrarii tensiunilor in jurul incluziunilor sau microfisurilor. In acest caz deformatiile plastice apar la nivel microstructural.

figura 3 Rupere la oboseală [4]

Din punct de vedere microstructural exista doua moduri fundamentale de rupere: a) ruperea prin clivare (ruperea prin separare); Ruperea prin clivare se produce datorită componentei normale a tensiunii. Aceasta rupe legăturile atomice perpendiculare pe planele cristalografice cu legăturile cele mai slabe numite plane de separare sau clivare. Suprafața de rupere prin clivare are un aspect strălucitor sau grăunos datorită reflectarii luminii pe suprafața de clivaj.

figura 4 Rupere prin clivaj; rupere prin forfecare. [3]

b) rupere prin forfecare; Ruperea prin forfecare este determinata de tensiunea tangentiala care apare in planele de alunecare cu densitate maxima de atomi fiind o consecinta a ruperii legaturilor interatomice din aceste plane. Suprafata de rupere prin forfecare are un aspect fibros de culoare gri, mata. Atunci cand cristalular un singur set de plane favorabil alunecarii, ruperea prin forfecare se produce dupa o sectiune inclinata, figura 5, respectiv cand exista doua astfel de plane sectiunea de rupere este dubla avand un caracter ascutit, figura 6, ce se produc transcristalin sau transgranular, fisura se propaga in interiorul cristalelor.

figura 5 [4]

figura 6 [4]

c) ruperea intracristalină și intercristalină; Dupa traiectoria urmata de fisura, se distinge ruperea transgranulara (intragranulara) daca fisura strabate grauntele, sau intergranulara daca grauntii nu se fisureaza, ci aluneca intre ei, dupa limitele de graunte figura 7.

figura 7 Ruperea intracristalină; ruperea intercristalină [3].

La materialele policristaline ruperea fragilă se poate produce fie transcristalin, fie intercristalin. Aspectul suprafetei de rupere este cristalin stralucitor la ruperea transcristalina, respective de culoarea fazelor la ruperea intercristalina figura 8.

figura 8.1 Rupere intracristalină [5].

figura 8.2 Rupere intercristalină [5].

Fisurile se inițiază adesea la limitele grăunților, fie la temperaturi ridicate fie atunci când avem amplitudini mari ale deformațiilor. În figura 9 a) se prezintă o fisură inițială la limitele dintre grăunți. Această fisură s-a inițiat atunci când s-a menținut proba o anumită perioadă de timp la tensiunea maximă de solicitare. La temperaturi moderate, precipitatele „întăresc” limitele dintre grăunți. La temperaturi ridicate aceste precipitate pot slăbi rezistența limitelor între grăunți iar atunci când se introduce o perioadă de menținere la solicitare constantă poate apărea fenomenul de fluaj, în timp ce limitele fisurează (cavitează sau alunecă) producându-se propagarea fisurii intergranulare. Impuritățile aflate la limitele dintre grăunți pot crea o anumită fragilizare în metale conducând la inițierea fisurii și propagarea acesteia la nivelul limitelor dintre grăunți.

figura 9 Mecanism de fisurare [6]

Fisurile pot fi inițiate de asemenea, de la nivelul incluziunilor, porilor sau altor neregularităti microstructurale. In figura 9 b) se prezintă o fisură inițiată la nivelul unei incluziuni de suprafață. Fisura din partea dreaptă a fost influențată de deformația plastică localizată la nivelul grăuntelui și propagată pe direcția tensiunii tangențiale maxime. Fisura trece și prin incluziune, aceasta și cu fisura din partea stângă fiind orientate perpendicular pe direcția tensiunii normale mxime. Fisurarea incluziunii se produce la un nivel energetic scăzut. In figura 9 c) se prezintă o fisură inițiată de la un por aflat la suprafața probei. Fisura se propagă simetric de la nivelul porului. Pe ambele direcții fisura se dezvoltă după tensiunea tangențială maximă.

figura 9 Mecanism de fisurare [6]

Ruperea intracristalină Ruperea transcristalină - are loc prin grăunții cristalini datorită unor eforturi de forfecare (tangentiale). La analiza macroscopică ruperea prezintă un aspect mai fibros figura 10.

figura 10 Rupere trancristalină [7]

Microfisurile pot fi prezente în metale înainte de solicitarea ciclică. Odată cu solicitarea la oboseală microfisurile tind să se dezvolte (coalescență) și se propagă perpendicular pe planul tensiunii normale maxime. Cele două etape de propagare a fisurii sunt în modul „forfecare” –

etapa I și în modul „tracțiune” – etapa a II-a. Propagarea fisurii este prezentată schematic în figura 11.

figura 11 Propagarea fisurii transcristaline [6]

Se constată faptul că, fisura se inițiază la suprafață și se dezvoltă transversal pe grăunți. Inițial fisura se dezvoltă în planul tensiunii tangențiale maxime, ca urmare a deplasării benzilor de alunecare. Dezvoltarea în continuare a fisurii are loc perpendicular pe direcția solicitării. Cele mai multe fisuri traversează limitele grăunților, figura 12 – fisuri transcristaline.

figura 12 Fisură transcristalină [6]

Ruperea intercristalină Ruperea intercristalină - are loc pintre graunții cristalini datorită unor eforturi normale (după direcția de solicitare). Analiza macroscopică prezintă un aspect neted strălucitor. Pot exista mai multe situații: o coroziune intergranulară; o precipitarea unei faze fragile la frontiera dintre doi graunți; o formarea de cavitați sau microfisuri la marginea grăuntelui datorită temperaturii ridicate.

figura 13 Rupere intercristalină [7]

Dezvoltarea microfisurilor prin limitele grăunților (intercristalină) depinde de material, încărcare, condițiile de mediu, etc. In figura 14 sunt prezentate trei din cele mai cunoscute moduri de fisurare la oboseală: a) formarea striațiilor, b) coalescența microgolurilor și c) microclivajul. Materialele care prezintă o comportare ductilă afișează adesea striații apreciabile și de asemenea o coalescență a microgolurilor. Undele din figura 14 a) sunt denumite striații de oboseală. Aceste striații nu se pot observa macroscopic din cauza frecării suprafețelor în timpul solicitării. Striațiile nu apar de obicei în materialele înalt rezistente. Unele studii presupun că fiecare striație se datorește unui singur ciclu de solicitare și că acestea reprezintă o rotunjire a vârfului fisurii în timpul perioadei de încărcare-descărcare pentru un ciclu de oboseală. Dacă fisura este intergranulară și în acest caz striurile nu pot fi observate, respectiv în cazul ruperii determinată de temperaturi înalte sau dacă există o coroziune intergranulară.

figura 14 Moduri de fisurare [6]

Coroziunea intercristalină Metalul se corodează în profunzime de-a lungul limitelor de grăunţe, fără a suferi pierderi de greutate sensibile şi uneori chiar fără a i se altera vizibil suprafaţa. Efectele asupra proprietăţilor mecanice sunt însă dezastruoase, produşii de coroziune intergranulară provocând „decoeziunea” materialului metalic, ceea ce poate conduce la ruperea sub cel mai mic efort. Acest tip de coroziune apare la aliajele cu structură de soluţie solidă (aliaje de aluminiu, oţeluri inoxidabile, aliaje pe bază de nichel etc.). Apariția coroziunii intercristaline este determinată de existența unui gradient de concentrație termic la care este supus aliajul, absolut necesar pentru obținerea unor calități superioare de exploatare.Mediile agresive capabile să provoace coroziunea cristalină sunt foarte numeroase: soluții de azotați, amestecuri sulfonitrice, acizi sulfurici și fosforici, apă de mare etc.

figura 15 Coroziunea intergranulară a magneziului îmbibat cu oțel [8]

Coroziunea transcristalină este un proces de distrugere fisurantă a metalelor, perpendicular pe direcţia tensiunilor remanente interne, prezente în piesele metalice în urma prelucrării mecanice, a tratamentelor termice sau a sudurii. Acest tip de coroziune apare la aliaje de magneziu şi la unele oţeluri inoxidabile. Ruperea intracristalină ce se produce la temperaturi relativ joase, sub sarcini mari. Ea este precedată de o alungire şi o gâtuire apreciabilă. Ruperea intercristalină care se produce la temperaturi relativ ridicate, sub sarcini mici. Metalele prezintă o trecere de la ruperea transcristalină (intracristalină) către ruperea intercristalină pe măsură ce temperatura creşte. Cand ruperea se produce transcristalin, grăunţii sunt mai puţini rezistenţi decat limitele, în timp ce, în cazul ruperii intercristaline, elementul cel mai slab îl constituie limitele grăunţilor. A fost introdusă noţiunea de „temperatură de echicoeziune" (figura 16), care a fost definită ca temperatura la care atat grăunţii cat şi limitele au aceeaşi rezistenţă . Temperatura de echicoeziune nu are o valoare fixă. O scădere a vitezei de deformare conduce la o micşorare a temperaturii de echicoeziune şi, ca urmare, se măreşte tendinţa de rupere intercristalină.

figura 16 Temperatura de echicoeziune [8]

. Au fost observate două tipuri de rupere intercristalină. În cazul în care poate apărea alunecarea limitelor, fisurile pot fi iniţiate în punctele triple, în care se întalnesc trei grăunţi. Acest tip de rupere, datorită limitelor, este predominant în cazul aplicării unor sarcini ridicate. Al doilea tip de rupere intercristalină se caracterizează prin formarea de pori la limite, în special la acelea care sunt perpendiculare pe tensiunea normală. Porii cresc în dimensiune şi se unesc pentru a forma fisuri la limitele grăunţilor. Acest tip de rupere este dominant atunci cand asupra metalului se aplică tensiuni mici, care conduc la o rupere după un timp relativ îndelungat. Caracteristicile la temperaturi înalte pot avea valuri cuprinse într-un domeniu destul de mare şi adeseori se obţin rezultate diferite pentru şarje din acelaşi material sau chiar între diferite bare obţinute din aceeaşi şarjă. Proprietăţile la fluaj ale oţelurilor sunt cu deosebire supuse unor dispersii accentuate, legate în mod complex de compoziţie, de metoda de elaborare, de tipul prelucrării mecanice şi de microstructură. O îmbunătăţire sensibilă a proprietăţilor aliajelor la temperaturi înalte se obţine în cazul topirii sub vid. Se îmbunătăţesc, de asemenea, proprietăţile tehnologice de prelucrare. Mediul ambiant poate avea o influenţă importantă asupra comportării la temperaturi ridicate. Atunci cand materialele trebuie să lucreze într-o atmosferă formată din gaze de ardere fierbinţi sau în medii corozive, durata de serviciu scade.

Concluzii Numeroase cazuri de ruperi la nivelul structurii granulelor, în special cele produse la nave și poduri asamblate sudat , au declanșat în toate țările dezvoltate studii și cercetări care să stabilească cauzele acestui fenomen și măsuri necesare pentru evitarea acestora. Concluziile principale la care s-a ajuns sunt următoarele: - în cazul podurilor, metalice, ruperile fragile au avut loc când podurile erau neîncărcate, prin urmare cauza nu poate fi cea de depășire a rezistențelor limită; - accidentele au avut loc după un interval de 1...5 ani de la darea în exploatare a construcției; - ruperile s-au produs la temperaturi scăzute (în majoritatea cazurilor sub 0 grade C) sau la scăderi bruște de temperatură; - ruperile au caracter casant , s-au produs brusc și au fost însoțite de zgomote puternice; - în majoritatea cazurilor oțelul utilizat nu corespundea condițiilor de calitate cerute pentru construcții sudate; - în multe cazuri proiectele de construcții conțineau deficiențe de concepție (concentratori de eforturi); - tehnologia de sudare a fost necorespunzătoare, conducând la tensiuni interne foarte importante; - cusăturile de sudură au fost realizate necorespunzător, prezentând defecte inadmisibile. Concluzia care a rezultat din analiza cauzelor acestor accidente a fost aceea că, în cazul construcțiilor metalice sudate apar fenomene noi, neîntâlnite în cazul construcțiilor metalice nituite, fenomene care pot cauza ruperi casante, ducând uneori la distrugerea practic a întregii construcții. Ca urmare, în cazul construcțiilor metalice sudate, calculele de rezistență și stabilitate nu sunt suficiente pentru a garanta siguranța în exploatarea structurii, fiind absolut necesar ca acestea să fie completate cu luarea unor măsuri împotriva producerii unor eventuale ruperi fragile, atât în ceea ce privește alegerea oțelului ( a materialului de bază), a materialelor de adaos (electrozi, sârmă de sudură, fluxuri), cât și măsuri de natura tehnologică, de proiectare și execuție.

Bibliografie

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Prof. dr. ing. Constantinescu D.M. – Curs Mecanica ruperii; Viorel Goanta – Mecanica ruperii, Ed. Tehnopress, Iași, 2006; *** https://ro.vbook.pub.com/doc/199959984/Curs-3-PET [3.11.2015 20:30] *** http://www.scrigroup.com/tehnologie/tehnica-mecanica/BAZELE-FIZICE-ALECAPACITATII-35171.php [3.11.2015 21:14] *** http://www.creeaza.com/referate/fizica/Ruperea-materialelor-metalice-653.php [3.11.2015 21:24] *** https://ro.vbook.pub.com/doc/250078412/Curs-IMR [5.11.2015 10:22] *** http://www.rasfoiesc.com/inginerie/tehnica-mecanica/ANALIZA-PROBELORMETALOGRAFICE78.php [5.11.2015 10:56] *** https://ro.vbook.pub.com/doc/20150831/19/V-2-COMPORT%C4%82RI-LACOROZIUNE-INTERGRANULAR%C4%82 [5.11.2015 11:44]