Determinarea tenacitatii la rupere În conditiile starii plane de deformare (s.p.d.)

DETERMINAREA TENACITATII LA RUPERE ÎN CONDITIILE STARII PLANE DE DEFORMARE (S.P.D.)

1. Formularea problemei

Deoarece tenacitatea la rupere determinata în conditiile s.p.d. este o caracteristica de material ce asigura prevenirea ruperii în diferitele structuri, este important sa se prezinte procedurile prin care aceasta caracteristica este determinata în conditii de laborator. Primul standard ce a stabilit aceste proceduri este ASTM E - 399 - 72 si se refera la determinarea factorului critic de intensitate a tensiunii K_IC.

În anul 1984, au fost introduse si în România aceste proceduri, continute în STAS 9760 - 84.

Aceasta metoda implica încercarea unor epruvete crestate, prefisurate la oboseala, în urma încercarii la întindere sau la încovoiere în trei puncte.

În timpul încercarii, se înregistreaza forta în functie de deplasarea flancurilor crestaturii, determinata la marginile acesteia.

Caracteristica K_IC, determinata cu aceasta metoda, caracterizeaza rezistenta la rupere a materialului în mediu neutru, în prezenta unei fisuri foarte ascutite si în conditiile s.p.d. Zona plastica la vârful fisurii este mentinuta la dimensiuni reduse în raport cu lungimea fisurii si dimensiunile epruvetei.

Aceste conditii trebuie respectate, deoarece valoarea lui K_IC, pentru un anumit material, depinde de viteza de solicitare, temperatura, agresivitatea mediului de încercare. În plus, solicitarile ciclice pot determina o extindere a fisurii la K_I < K_IC.

De aceea, aplicarea conceptului si valorilor lui K_IC (determinate în laborator) în proiectarea diferitelor componente va trebui sa tina seama de diferentele ce exista între conditiile de încercare în laborator si cele din exploatare.

Notatii utilizate:

K_I - factorul de intensitate a tensiunii în urma solicitarii conform modului I de rupere;

.

K_IC - factorul critic de intensitate a tensiunii în conditiile s.p.d., caruia îi corespunde prima extindere vizibila a fisurii;

v - deplasarea flancurilor fisurii rezultata în urma îndepartarii acestora sub actiunea fortei aplicate;

a - lungimea crestaturii la care se adauga lungimea fisurii produse în urma unei solicitari la oboseala (pentru a se asigura o acuitate mare a vârfului fisurii);

W - latimea epruvetei;

B - grosimea epruvetei;

- viteza de încarcare trebuie sa fie cuprinsa în intervalul (0,55 3,05) MPa/s.

2. Epruvete utilizate

Atât în ASTM E - 399 cât si în STAS 9760 sunt propuse mai multe tipuri de epruvete. Alegerea uneia dintre ele depinde de forma produselor din care se prelucreaza epruvetele (patrate, rotunde, tubulare, dreptunghiulare) si de conditiile experimentale (dispozitive de prindere pe masina si de înregistrare a parametrilor).

Rezultatele obtinute cu oricare dintre aceste epruvete (daca se respecta prescriptiile de încercare prevazute în standarde) sunt considerate valide pentru a se determina K_IC, pentru un anumit material.

În continuare, vor fi prezentate schitele celor mai des utilizate epruvete si anume:

- epruveta compacta (C.T.)

- epruvete de încovoiere în trei puncte

P_Q

a

Epruveta C.T.

Relatii între dimensiuni:

W = 2 B

L = 1,25 W

W P_Q B a = (0,45 0,70)W

L

Fig. 1. Forma si dimensiunile epruvetei CT

Expresia analitica pentru K.

K_Q = (1.)

Epruveta de încovoiere în 3 puncte

P_Q Relatii între dimensiuni:

aw S B L = 4,2W

L a = (0,45 0,70)W

Fig. 2. Forma si dimensiunile epruvetei de încovoiere în trei puncte

Expresia analitica pentru K.

K_Q = (2.)

3. Procedura de încercare

1) Un extensometru este plasat pe fetele crestaturii practicate pe epruveta pentru a se putea înregistra valorile deplasarii, când epruveta este încarcata.

2) Se aplica o forta P, astfel încât sa se extinda fisura. Imaginea tipica a diagramelor P - v, înregistrate în cadrul încercarilor pentru determinarea lui K_IC este urmatoarea.

P_max P_max P_max=P_Q

P₅=P_Q P_Q P₅

v

Fig. 3. Exemple tipice de diagrame P-v.

Cu ajutorul acestor diagrame trebuie raspuns la doua întrebari:

- care este valoarea lui K_IC pentru un anumit material?

- este aceasta valoare valida în sensul ca valoarea obtinuta pe o epruveta cu o grosime mai mare nu va fi mai mica decât K_IC determinat pentru acelasi material?

Pentru a raspunde la aceste întrebari, Brawn si Srawley, analizând tenacitatea la rupere a mai multor oteluri si aliaje neferoase, de înalta rezistenta, au stabilit empiric ca tenacitatea în s.p.d. se atinge când: atât grosimea epruvetei ,cât si lungimea fisurii au valori mai mari decât o anumita marime,deci trebuie respectate inegalitatile: (W - a), B, a .

Raportul (K_IC/R_p)² sugereaza cerinta ca zona plastica la vârful fisurii sa aiba o anumita marime pentru o grosime de epruveta si lungime de fisura date.

pentru s.p.d. (3.)

. (4.)

Atunci (W - a), B, a > (6p 2,5)r_y = 50 r_y.

În aceste conditii, K_ef nu va fi diferit de K_ap, corectia pentru zona plastica nu mai este necesara.

În consecinta, pentru a obtine o valoare valida a lui K_IC este necesar sa se calculeze mai întâi o estimare K_Q din graficul P - v.

Daca K_Q satisface conditiile (W - a), B, a 2,5 , atunci K_Q = K_IC.

Pentru determinarea lui K_Q, se procedeaza astfel:

- pe graficul P - v se duce o secanta OP₅ din origine si înclinata cu un unghi cu 5% mai mic decât cel al tangentei OA la portiunea initiala a curbei.

Observatie:. Pentru epruveta de încovoiere în trei puncte si pentru C.T., o reducere de 5% a pantei corespunde unei cresteri de 2% a lungimii efective a fisurii, nivel ce reflecta o extindere minima a fisurii si a corectiei de plasticitate.

r_y = = 0,02a (2%a) (5.)

- forta P₅ se determina din intersectia secantei OP₅ cu graficul P – v;

- forta P_Q care va fi utilizata pentru calculul lui K_Q se determina astfel:

- daca forta corespunzatoare oricarui punct al înregistrarii (P - v) din zona premergatoare lui P₅ este mai mica decât P₅, atunci P_Q = P₅ (tipul I);

- daca exista un maxim aparent al diagramei care precede P₅, atunci acest maxim este considerat P_Q (tipurile II, III);

- suplimentar, daca raportul P_max/P_Q < 1,1, atunci determinarea lui K_Q este valida;

- daca K_Q satisface inegalitatile pentru a , B, (W - a), atunci K_Q = K_IC.

Observatie În cazul în care una dintre aceste conditii nu este îndeplinita, atunci se repeta încercarea, utilizându-se o epruveta mai groasa sau cu o fisura mai adânca.