FENOMENUL TEMPERATURII DE TRANZITIE - Determinarea temperaturii de tranzitie prin intermediul încercarii de rezilienta

FENOMENUL TEMPERATURII DE TRANZITIE

1. Determinarea temperaturii de tranzitie prin intermediul încercarii de rezilienta

Pentru a anticipa conditiile cele mai periculoase care pot determina ruperea, în cadrul încercarilor de laborator s-au creat conditii experimentale care sa reduca deformarea plastica în timpul ruperii prin:

- cresterea limitei de curgere;

- cresterea vitezei de deformare;

- asigurarea unei stari tridimensionale de tensiune prin crearea de amorse sau defecte în epruvete.

De o considerabila importanta practica pentru vasele de presiune, navele, podurile realizate din oteluri, deci din materiale cu o structura c.v.c., la temperatura obisnuita este dependenta caracteristicilor lor de rupere de temperatura, dependenta mult mai importanta decât în cazul materialelor cristaline cu o retea c.f.c., cum ar fi: Cu, Al, Ni sau otelurile austenitice.

Aceasta dependenta de temperatura si de viteza de deformatie se întâlneste atât în cazul încercarii la tractiune, cât si a celei de rezilienta, Figura 1.

De altfel, pe baza încercarilor la tractiune, s-a încercat definirea raspunsului materialului pe baza unei ecuatii de stare generale:

s = f (e, , T)

₃

T₃

σ T₂ σ ₂

T₁

₁ T₁>T₂>T_{3 3}> ₂> ₁

ε ε

Fig. 1. Influenta temperaturii si a vitezei de deformatie asupra valorilor lui σ

Dependenta caracteristicilor de rezistenta si tenacitate de material a fost corelata cu marimea fortei Peierls-Nabarro care determina deplasarea dislocatiilor.Aceasta forta depinde de:

- latimea dislocatiilor w, ceea ce reprezinta o masura a zonei pe care este distorsionata reteaua datorita prezentei unei dislocatii;

- distanta dintre planele cristaline;

, (1.)

unde b este marimea vectorul Burgers,w este dependent de tipul de retea si de fortele atomice de legatura.

De exemplu: atunci când fortele atomice au o distributie sferica, w este mare. Acest tip de legatura se întâlneste în structurile împachetate compact, cum ar fi cele c.f.c. si h.c.

În cazul fortelor atomice directionate (covalenta, ionice, c.v.c.), w mica ceea ce determina t_p mare.

La temperaturi joase, când activarea termica a deplasarii dislocatiilor este limitata, t_p este mare.

Dar în cristalele în care w este mare, t_p este mica, deci influenta temperaturii este neglijabila.

În celelalte cristale, cu w mic, t_p poate fi mic la temperaturi înalte, dar creste rapid cu scaderea temperaturii, valoarea sa mare fiind responsabila de ductilitatea scazuta a unor materiale la temperaturi joase sau moderate,Tabelul 1..

Tabelul 1. Influenta tipului de retea cristalina si a fortelor de legatura interatomica asupra lui t_p

În ceea ce priveste sensibilitatea la o amorsa a unui anumit material, aceasta poate fi estimata, într-o prima aproximatie, prin raportul dintre limita de curgere si rezistenta la rupere.

Când valoarea acestui raport este scazuta, constrângerea plastica asociata unei stari biaxiale sau triaxiale de tensiune la vârful fisurii duce la o crestere a valorilor rezistentei unei bare crestate în raport cu una neteda.

Analizând diagramele din Fig.2. aparent rezistenta mecanica a epruvetelor cu amorse este mai mare decât a celor netede. Aparent numai, deoarece în calculul lui σ intervine aria sectiunii transversale în zona crestaturii(A_c ), arie mai mica decât cea a epruvetei netede. În consecinta, la valori egale ale lui σ în cazul epruvetelor crestate, respectiv, netede, valorile fortei aplicate sunt mai mici în cazul celor crestate.

În cazul valorilor mari ale raportului R_p/R_m, deci a materialelor cu ductilitate scazuta, concentrarea de tensiuni la vârful fisurii nu duce la formarea unei zone plastice care va toci fisura si, în acest caz, se va produce ruperea fragila, in portiunea liniara a curbei σ- ε.,Fig. 3.

σ amorsa adânca

defect superficial

neteda

ε

Fig.2. Influenta marimii defectelor de suprafata asupra formei curbelor σ-ε.

σ

bara crestata

bara neteda

ε

Fig. 3. Influenta defectelor de suprafata asupra ruperii materialelor cu ductilitate scazuta

Tinându-se cont de aceasta influenta a defectelor de suprafata asupra tenacitatii materialelor au fost propuse diferite tipuri de epruvete pe baza carora se poate estima tenacitatea materialelor conditii severe de solicitare. Epruveta cea mai utilizata pentru caracterizarea materialelor din acest punct de vedere este epruveta Carpy V.Epruveta Charpy si procedura de încercare asociata este o metoda relativ severa de determinare a tenacitatii unui material.Epruvetele crestate sunt încarcate cu o viteza de deformatie () foarte mare, deoarece ele trebuie sa absoarba energia transmisa de un pendul cu o energie de minim 300J.

Incercarea se efectueaza cu un ciocan pendul a carui energie tipica este egala cu (300 ± 10) J.

Cadranul ciocanului pendul indica direct energia absorbita de epruveta, care în cazul epruvetelor cu canal în V este notata KV si se masoara în Joule.

Epruveta Charpy –V standard are configuratia data în Fig.4..

45ș

10mm r = 0,25 mm

r 10mm

55mm

Fig. 4. Dimensiunile epruvetei Carpy-V standard

O alta metoda de estimare a tenacitatii la rupere este energia specifica de rupere (J/cm²) numita rezilienta materialului respectiv (aceasta metoda se poate aplica atât epuvetelor cu canal în V, cât si epruvetelor cu canal în U. Aceasta se determina prin raportarea energiei de rupere la suprafata de rupere ( care în cazul epruvetelor cu canal în V este de aproximativ 0.8cm²), iar marimea determinata se noteaza astfel:

-KCV pentru epruvetele cu canal in V,

-KCU pentru epruvetele cu canal in U.

Modificarea cu temperatura a rezilientei otelurilor a sugerat proiectantilor de a proiecta componentele care sa lucreze la temperaturi mai mari decât cele la care se produce ruperea fragila.

Efectul temperaturii asupra energiei de rupere a fost legat de aspectele microscopice ale mecanismelor de rupere: de exemplu, la otelurile feritice ruperea se produce prin clivaj la temperaturi scazute si prin coalescenta golurilor la temperaturi ridicate.

otel R_p=275MPa

KV   150

[J]

125                                                                           otel R_p=550MPa

100

75

50 aluminiu R_p=260MPa

aluminiu R_p=515MPa

25

-75 -50 -25 0 25 50

Temperatura [șC]

Fig. 5. Variatia lui KV în functie de temperatura în cazul metalelor cu retea c.v.c.(oteluri feritice) si cu retea c.f.c. (aluminiu).

Observatie Deoarece în cazul otelurilor feritice comportarea fragila este asociata cu clivajul, adesea ele sunt considerate sinonime.

În realitate, fragilitatea se refera la ruperea la o valoare scazuta a energiei, pe când clivajul este un micromecanism de rupere.

Astfel, ruperea fragila poate avea loc fara clivaj (de exemplu, la aliajele de aluminiu de înalta rezistenta), iar o comportare relativ ductila a unui aliaj W-Re nu exclude ruperea prin clivaj.De aceea, cele doua notiuni trebuie tratate separat.

Criterii pentru definirea temperaturii de tranzitie,Tabelul1:

- valoarea minima a unei energii de rupere (20 J, 27 J);

- marimea limita (minima) a expansiunii laterale;

procentul de rupere fibroasa din suprafata de rupere.

Criteriul ce prevede o anumita valoare limita a energiei depinde puternic de material, de exemplu, în cazul otelurilor, valoarea energiei limita trebuie sa creasca odata cu cresterea rezistentei acestora.

Tabelul 1. Variatia temperaturii de tranzitie în functie de material si de criteriul de evaluare

Aceleasi probleme apar si cu celelalte criterii, suplimentar fata de valorile diferite obtinute pentru temperatura de tranzitie conform diferitelor criterii aplicate.