45977989 Materiale Metalice Propr Mecanice

Capitolul 3 Proprietile mecanice ale materialelor metalice

Capitolul 3PROPRIETILE MECANICE ALE MATERIALELOR METALICE

3.1. IntroducerePiesele confecionate din materiale metalice (metale sau aliaje), folosite cu cea mai mare pondere n construcia de maini i utilaje, sunt supuse n timpul utilizrii (exploatrii) la aciunea unor ncrcri mecanice (fore) exterioare. Ca efect al aciunii forelor exterioare, n aceste piese se creaz aa-numitele fore interioare sau eforturi i piesele se deformeaz. Pentru a pune n eviden existena forelor interioare se consider un corp metalic aflat n echilibru sub aciunea unui sistem de fore F1, F2, ..., Fn, aa cum se arat n figura 3.1 a. Secionnd corpul cu un plan virtual (imaginar) S, se obin prile I i II, avnd suprafeele de separare S1 i S2. Pentru meninerea echilibrului prilor I i II este necesar ca, pe fiecare element de arie A al suprafeelor de separarare, s acioneze cte o for interioar de legtur F, aa cum se prezint n figura 3.1 b. Folosind relaia: , p n = lim A0 AF

(3.1)

se definete (n orice punct curent P asociat unui element de arie A al suprafeelor de separare) mrimea vectorial pn, numit tensiune (mecanic) total sau vector tensiune, care caracterizeaz distibuia eforturilor (forelor interioare) pe unitatea de suprafa a unei seciuni (virtuale) considerate ntr-o pies solicitat mecanic; intensitatea (modulul) vectorului tensiune se msoar n N/m2 (sau N/mm2). Conform definiiei, pn depinde n principal de intensitatea forei F, determinat de intensitile forelor exterioare i de orientarea elementului de arie A (definit de poziia i orientarea planului virtual de secionare S). Vectorii tensiune pn, corespunztori tuturor orientrilor posibile ale elementului de arie A asociat unui punct curent P, definesc starea de tensiuni mecanice n punctul respectiv.107

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

Vectorul tensiune pn din orice punct curent P al seciunii virtuale S se poate descompune n dou componente: o component , numit tensiune (mecanic) normal, orientat dup normala n a seciunii S i o component , numit tensiune (mecanic) tangenial, orientat dup o direcie situat n planul seciunii S , aa cum se poate observa n figura 3.1 c.

Fig. 3.1. Schemele de definire a tensiunilor mecanice n corpurile solide supuse aciunii unor fore (ncrcri) exterioare

Deformaiile produse corpului de solicitrile exterioare depind de strile de tensiuni ce se creaz sub aciunea acestor solicitri. Aa cum se prezint n figura 3.2, n funcie de tipul tensiunilor mecanice care acioneaz, deformaiile elementelor de volum ale corpului pot fi: deformaii liniare (alungiri sau scurtri), produse prin aciunea tensiunilor normale i deformaii unghiulare (lunecri), produse prin aciunea tensiunilor tangeniale. Pentru exprimarea analitic a dependenelor dintre tensiunile create sub aciunea solicitrilor mecanice exterioare i deformaiile produse, se definesc deformaiile specifice liniare (alungiri sau scurtri specifice) i deformaiile specifice unghiulare (lunecri specifice) , cu relaiile (v. notaiile din fig.3.2): =x x

; =

y x

(3.2)

Comportarea unei piese la solicitrile mecanice produse de forele exterioare depinde de anumite nsuiri specifice materialului metalic din care este confecionat piesa, numite proprieti mecnice. De obicei, proprietile mecanice ale unui material metalic se determin prin ncercri mecanice,108


constnd din solicitarea unor epruvete (probe cu configuraii i dimensiuni bine definite, prelevate din materialul supus cercetrii) n condiiile adecvate evidenierii proprietilor urmrite. Cu ajutorul ncercrilor mecanice se obin date calitative privind comportarea materialelor n condiiile de solicitare corespunztoare acestor ncercri i valorile unor mrimi fizice sau convenionale, numite caracteristici mecanice, care se pot utiliza ca parametri cantitativi de exprimare a proprietilor mecanice.

Fig. 3.2. Tipuri de deformaii produse de tensiunile mecanice: a - deformaii liniare; b - deformaii unghiulare

n acest capitol sunt prezentate principalele proprieti mecanice ale materialelor metalice, ncercrile mecanice cu care pot fi evideniate aceste proprieti i caracteristicile mecanice folosite pentru exprimarea lor cantitativ.

3.2. Elasticitatea materialelor metaliceElasticitatea este proprietatea unui material de a se deforma sub aciunea solicitrilor mecanice i de a reveni la forma iniial cnd solicitrile i-au ncetat aciunea. S-a stabilit pe cale experimental c, n cazul n care solicitrile mecanice aplicate asupra unei piese creaz stri de tensiuni capabile s produc numai deformaii elastice ale materialului acesteia, este valabil legea lui Hooke, adic dependena dintre tensiunile generate de solicitrile mecanice i deformaiile specifice de natur elastic produse este liniar. Astfel, n cazul unei piese metalice care sufer deformaii elastice sub aciunea unei solicitri de ntindere sau compresiune monoaxial, starea de tensiuni generat n pies este caracterizat numai printr-o tensiune normal (orientat dup direcia forelor109


exterioare care produc ntinderea sau comprimarea monoaxial a piesei) i legea lui Hooke are urmtoarea formulare analitic: = E, (3.3) fiind deformaia specific liniar (de natur elastic) a materialului piesei, msurat pe direcia tensiunii . De asemenea, n cazul unei piese metalice care sufer deformaii elastice sub aciunea unei solicitri de forfecare pur, starea de tensiuni generat n pies este caracterizat numai print-o tensiune tangenial i legea lui Hooke are urmtoarea exprimare analitic: = G, (3.4) fiind lunecarea specific (de natur elastic) a materialui piesei, produs pe direcia tensiunii . Factorii de proporionalitate E i G, care intervin n formulrile particulare (3.3) i (3.4) ale legii lui Hooke, sunt caracteristici (constante) proprii materialului piesei solicitate, ce exprim capacitatea materialului de a se opune aciunii de deformare elastic exercitate de solicitrile mecanice exterioare; caracteristica E este denumit modul de elasticitate longitudinal, iar caracteristica G - modul de elasticitate transversal. n teoria elasticitii este demonstrat c formulrile analitice ale legii lui Hooke pentru materialele continue, omogene i izotrope conin ca factori de proporionalitate numai caracteristicile E i G, oricare ar fi complexitatea strilor de tensiuni mecanice care produc deformaiile elastice. Deformarea elastic a cristalelor care alctuiesc structura pieselor metalice se realizeaz prin modificarea distanelor interatomice i schimbarea parametrilor structurii cristaline (reelei spaiale). De exemplu, aa cum se poate observa n figura 3.3, pentru a realiza alungirea elastic a unui cristal metalic este necesar ca forele exterioare aplicate s genereze tensiunile normale , echivalente crerii unor fore interatomice Fc, de sens contrar forelor de legtur interatomic Fl; n aceast situaie, poziiile de echilibru ale atomilor cristalului corespund respectrii condiiei Fc + Fl = 0 i distanele interatomice se modific la valoarea r1 = r0 + r , r0 fiind distana interatomic de echilibru pentru cristalul nedeformat. Dac forele exterioare i nceteaz aciunea (tensiunile i forele interatomice Fc se anuleaz), condiia de echilibru al atomilor este Fl = 0 i cristalul revine la forma iniial (distana interatomic de echilibru redevine r0). Analiznd figura 3.3 se poate observa c, dac tensiunile sunt echivalente unor fore interatomice Fc > Fcmax, echilibrul atomilor cristalului solicitat mecanic nu mai poate fi realizat i se produce ruperea acestuia; fora Fcmax este numit for de coeziune interatomic, iar tensiunea rc corespunztoare acestei fore (care determin ruperea materialului cristalului prin deformare elastic excesiv i pierderea coeziunii interatomice) poart numele de rezisten teoretic sau rezisten la rupere prin clivaj (smulgere) a materialului.110


Fig. 3.3. Deformarea elastic a monocristalelor

Fig. 3.4. Band de alunecare ntr-un monocristal deformat plastic

Deformarea elastic a materialelor (pieselor) metalice cu structur policristalin se realizeaz prin deformarea cristalelor componente conform mecanismului anterior prezentat. Comportarea la deformare i valorile caracteristicilor elastice (E i G) ale materialelor metalice policristaline sunt determinate n principal de natura i intensitatea forelor de legtur dintre atomii care alctuiesc cristalele (dependente de compoziia chimic a materialului, de tipul i de parametrii structurii sale cristaline) i sunt influenate n msur nesemnificativ de factorii structurali modificabili prin prelucrri tehnologice, cum ar fi forma i dimensiunile cristalelor, tipul i densitatea imperfeciunilor structurii cristaline (vacane, dislocaii, limite de cristale, limite de subcristale) etc.

3.3. Plasticitatea materialelor metalicePlasticitatea este proprietatea unui material de a se deforma sub aciunea solicitrilor mecanice i de a nu reveni la forma iniial (de a-i menine configuraia obinut prin deformare) cnd solicitrile i-au ncetat aciunea . S-a stabilit pe cale experimental c, n cazul n care solicitrile mecanice aplicate asupra unei piese creaz stri de tensiuni capabile s produc deformaii plastice ale materialului acesteia, legea lui Hooke i pierde valabilitatea (dependena dintre tensiunile generate de solicitrile mecanice i deformaiile specifice produse nu mai este liniar). Cercetrile experimentale i studiile teoretice efectuate au evideniat urmtoarele aspecte privind deformarea plastic a cristalelor metalice: a) Deformarea plastic a cristalelor care alctuiesc structura materialelor111


metalice se realizeaz, n mod obinuit, prin alunecarea unor zone ale cristalelor, de-a lungul unor plane cristalografice numite plane de alunecare, sub aciunea tensiunilor tangeniale generate de solicitrile mecanice aplicate asupra acestor materiale; acest mecanism de realizare a deformrii plastice a fost sugerat de observarea unor linii sau benzi de alunecare pe suprafeele libere ale cristalelelor deformate plastic, aa cum se prezint n figura 3.4. b) Planele de alunecare ale cristalelor metalice sunt planele cristalografice cu densitate atomic maxim; la materialele metalice cu structur cristalin CFC planele de alunecare aparin familei {111}, la materialele metalice cu structur cristalin CVC planele de alunecare aparin familiei {110}, iar la materialele cu structur cristalin HC planele de alunecare sunt planele (0001) (bazele celulelor elementare ale structurii cristaline). n fiecare plan de alunecare, direciile prefereniale de realizare a proceselor de alunecare sunt direciile cu densitate atomic maxim; la materialele metalice cu structur cristalin CFC direciile de alunecare aparin familei , la materialele metalice cu structur cristalin CVC direciile de alunecare aparin familiei , iar la materialele cu structur cristalin HC direciile de alunecare corespund diagonalelor bazelor celulelor elementare (direciile [110]). Un plan de alunecare mpreun cu o direcie de alunecare coninut n acesta formeaz un sistem de alunecare; structurile cristaline CFC, avnd cel mai mare numr de sisteme de alunecare, prezint cea mai bun capacitate de deformare plastic, n timp ce structurile cristaline HC, fiind caracterizate prin numrul cel mai redus de sisteme de alunecare, prezint plasticiate sczut. c) Deformarea plastic prin alunecare a unui cristal nu se realizeaz prin mecanismul ilustrat n figura 3.5, care presupune deplasarea relativ simultan, cu un numr ntreg de distane interatomice, a tuturor atomilor din zonele adiacente unuia sau mai multor plane de alunecare. Realizarea deformrii plastice prin acest mecanism ar necesita dezvoltarea unor tensiuni tangeniale cu intensiti superioare unei valori teoretice t = elasticitate transversal al materialului cristalului (pentru materialele metalice uzuale, G = 7000 ... 70000 N/mm2); tensiunile tangeniale care au produs deformarea plastic a unor monocristale metalice cercetate experimental au avut intensitile de 100...1000 de ori mai mici dect valoarea teoretic t , fapt ce a condus la infirmarea ipotezei deformrii plastice a cristalelor metalice prin mecanismul de alunecare sugerat n figura 3.5. d) Deformarea plastic prin alunecare a cristalelor metalice reale (cu imperfeciuni ale structurii cristaline) se realizeaz prin mecanismul ilustrat n figura 3.6, bazat pe deplasarea dislocaiilor n planele de alunecare ale cristalelor. Acest mecanism al deformrii plastice a cristalelor metalice a fost112 G 2

, G fiind modulul de


confirmat prin cercetri experimentale (intensitatea tensiunilor tangeniale care au produs deformarea plastic a unor cristale metalice a fost aproximativ egal cu intensitatea calculat a tensiunii tangeniale necesare deplasrii dislocaiilor n lungul planelor de alunecare ale acestor cristale).

Fig. 3.5. Mecanismul deformrii plastice prin alunecare n absena dislocaiilor

Fig. 3.6. Mecanismul deformrii plastice prin alunecare n prezena dislocaiilor

e) Procesul de deformare plastic prin alunecare nu conduce la micorarea numrului de dislocaii coninute n cristale, ci la mrirea acestuia (creterea densitii de dislocaii), deoarece, la deplasarea n lungul planelor de alunecare, multe din dislocaii ntrunesc condiiile transformrii n surse FrankRead (surse de dislocaii). De asemenea, procesul de deformare plastic bazat pe deplasarea dislocaiilor n lungul planelor de alunecare determin blocarea micrii multor dislocaii, datorit interaciunii acestora cu obstacolele ntlnite (alte dislocaii, vacane, impuriti etc.). Datorit acestor fenomene (creterea densitii de dislocaii i blocarea micrii unor dislocaii), pe msur ce procesul de deformare plastic a unui cristal avanseaz, crete intensitatea tensiunii tangeniale care asigur continuarea procesului (crete rezistena la deformare a materialului cristalului), fenomen numit ecruisare (ntrire) prin deformare plastic. Deformarea plastic a unui material metalic (a unei piese metalice) cu structur policristalin ncepe n cristalele avnd planele de alunecare orientate cel mai favorabil n raport cu sistemul de solicitare al materialului (piesei); n aceste cristale tensiunile tangeniale dezvoltate prin aciunea solicitrilor mecanice exterioare au intensiti maxime i este posibil demararea procesului de deformare plastic (bazat pe mecanismul descris anterior, de deplasare prin alunecare a dislocaiilor). Dislocaiile deplasate n interiorul cristalelor n primele secvene ale procesului de deformare plastic sunt blocate la limitele dintre cristale (unde nivelul energetic este mai ridicat i se face trecerea spre cristalele113


vecine, cu alte orientri ale planelor cristalografice) i apare fenomenul de ecruisare. Mrind intensitatea solicitrilor mecanice la care este supus materialul (piesa), procesul de deformare plastic poate continua, fie prin realizarea condiiilor de deplasare a dislocaiilor n planele de alunecare ale altor cristale, fie prin continuarea deplasrii dislocaiilor blocate la marginea cristalelor.

Fig. 3.7. Mecanismul deformrii plastice a structurilor policristaline i formrii structurii fibroase

n baza mecanismului descris anterior rezult c, mrind suficient solicitrile la care este supus un material cu structur policristalin, se poate obine deformarea plastic global (general) a acestuia. ntr-o astfel de situaie, materialul policristalin va prezenta o structur fibroas de tipul celei prezentate n figura 3.7, deoarece cristalele (grunii cristalini) din care este alctuit i modific forma poliedric (echiaxial) iniial, alungindu-se n direcia eforturilor care le-au produs deformarea. Orientarea unidirecional a cristalelor materialelor metalice policristaline deformate plastic, denumit textur de deformare, produce anizotropia proprietilor mecanice ale acestor materiale.

3.4. ncercarea la traciune a materialelor metalicePentru a evidenia particularitile comportrii materialelor metalice policristaline solicitate mecanic se folosete (ca ncercare de referin) ncercarea la traciune. Condiiile i modul de realizare a ncercrii la traciune i caracteristicile mecanice care se pot determina prin aceast ncercare sunt reglementate prin standardul SR EN 10002 (care reprezint versiunea n limba romn a standardului european EN 10002).114


ncercarea la traciune se execut pe epruvete confecionate din materialul metalic care se cerceteaz, avnd forma i dimensiunile prescrise n SR EN 10002. Epruvetele folosite n mod obinuit au configuraia prezentat n figura 3.8; aceste epruvete au o poriune central, cu seciunea circular (epruvete rotunde) sau dreptunghiular (epruvete plate), calibrat (cu dimensiuni precise) i dou capete de prindere (pe maina cu care se realizeaz ncercarea), cu diverse configuraii (cilindrice, conice, cilindrice filetate, plate, plate cu orificii pentru boluri etc.). Pe poriunea calibrat a epruvetelor se traseaz (nainte de ncercare) dou repere la distana L0; de regul, distana (lungimea) iniial ntre repere L0 se alege n funcie de aria seciunii transversale iniiale a poriunii calibrate S0, utiliznd relaia: (3.5) L0 = k S 0 , iar epruvetele astfel dimensionate se numesc epruvete proporionale (de obicei, se ia k = 5,65, ceea ce este echivalent, pentru epruvetele rotunde, cu L0 = 5d0).

Fig. 3.8. Epruvete pentru ncercarea la traciune

n timpul ncercrii la traciune, pe direcia axei longitudinale a unei epruvete realizate conform prescripiilor anterior prezentate, se aplic o for de traciune F, cresctoare ca intensitate, care produce deformarea progresiv i, n final, ruperea epruvetei. Maina folosit pentru realizarea ncercrii la traciune este prevzut cu dispozitivele necesare pentru a msura i/sau nregistra (pe toat durata ncercrii) intensitatea forei aplicate F i deformaiile liniare (lungirile sau extensiile) produse epruvetei L = L - L0, L fiind distana115


(lungimea) ntre reperele epruvetei la aplicarea forei de traciune cu intensitatea F. Prin msurarea secvenial sau nregistrarea continu a valorilor mrimilor F i L, se poate construi curba dependenei F = g(L), numit diagrama ncercrii la traciune (DIT) sau diagrama for - alungire (extensie). Reprezentnd n coordonate rectangulare variaia tensiunii (convenionale) = alungirea specific =L L0 F S0

n funcie deL 100 , L0

sau n funcie de alungirea procentual =

se

obine o curb = f(), numit curba caracteristic convenional la traciune (CCCT) sau curba caracteristic tensiune-deformaie specific a materialului cercetat. CCCT are n mod obinuit una din configuraiile prezentate n figura 3.9. Cu ajutorul CCCT (construit pe baza ncercrii la traciune) se pot evidenia particularitile comportrii oricrui material metalic solicitat mecanic i se pot defini o serie de caracteristici mecanice (folosite drept caracteristici de referin la proiectarea pieselor din materialul respectiv), aa cum se prezint n continuare: a) La nceputul ncercrii la traciune CCCT este liniar (are configuraia unei drepte care trece prin originea sistemului de coordonate), fapt ce indic existena unei proporionaliti stricte ntre mrimile i i, deci, o comportare elastic a materialului supus ncercrii; deoarece la nceputul ncercrii materialul respect legea lui Hooke ( =E), panta CCCT, msurat n originea sistemului de coordonate, este chiar modulul de elasticitate longitudinal al materialului (tg = E, v.fig. 3.9). b) Pe msur ce crete intensitatea forei de traciune F, materialul supus ncercrii ncepe s sufere deformaii plastice, dependena dintre i nu mai este liniar i configuraia CCCT se modific. La unele materiale metalice nceputul procesului de deformare plastic este caracterizat printr-o curgere a materialului (deformare plastic fr ecruisare) i pe CCCT se nregistreaz un palier (v. figura 3.9 a); tensiunea la care se produce creterea deformaiilor specifice ale materialului fr a se mri intensitatea solicitrii (tensiunea la care are loc fenomenul de curgere sau tensiunea corespunztoare palierului nregistrat pe CCCT) este denumit limit de curgere aparent i notat Re. Multe materiale metalice nu manifest un fenomen de curgere aparent, CCCT corespunztoare acestora neprezentnd variaii brute ale pantei la instaurarea procesului de deformare plastic, ci numai modificri continue, care evideniaz creterea ponderii deformaiilor plastice i apariia fenomenului de ecruisare (v. figura 3.9 b). La astfel de materiale se poate defini o limit de curgere convenional (notat Rp), ca fiind tensiunea la care alungirea specific116


neproporional (de natur plastic, notatat p n fig. 3.9 b) atinge o valoare prescris; n mod uzual, limita de curgere convenional se determin pentru o alungire procentual neproporional p = 0,2 % i se noteaz Rp0,2. n unele cazuri, n locul limitei de curgere convenionale se definesc urmtoarele caracteristici echivalente: * limita de alungire remanent Rr - tensiunea corespunztoare unei alungiri specifice remanente (msurate dup descrcarea epruvetei, r p, v. fig. 3.9 b) prescrise; n mod uzual, Rr se determin pentru o alungire procentual remanent r = 0,2 % i se noteaz Rr0,2; * limita de extensie convenional Rt - tensiunea la care alungirea specific total (de natur elasto-plastic, = e + p, v. fig. 3.9 b) atinge o valoare prescris; de obicei, Rt se determin pentru o alungire procentual total = 0,5 % i se noteaz Rt0,5.

Fig. 3.9. Curbe caracteristice conventionale la traciune (CCCT): a - la materialele care prezint curgere aparent; b - la materialele fr curgere aparent

c) Mrind tensiunile de solicitare peste limita de curgere, are loc deformarea plastic uniform a poriunii calibrate a epruvetei. La o anumit valoare a forei de solicitare la traciune, ntr-o zon oarecare a poriunii calibrate se produce gtuirea epruvetei (micorarea seciunii transversale a epruvetei datorit deformrii plastice excesive). Solicitnd n continuare epruveta, gtuirea se accentueaz i, la epuizarea capacitii de deformare plastic a materialului, survine ruperea acesteia. Tensiunea corespunztoare forei maxime de solicitare a epruvetei nainte de rupere Fmax , se numete rezisten la traciune (sau rezisten la rupere) i se noteaz Rm ( Rm =117 Fmax S0

); rezistena la traciune este o


caracteristic convenional a materialului supus ncercrii, deoarece se calculeaz raportnd fora Fmax, aplicat ntr-un moment precedent momentului ruperii, la o arie S0, diferit de aria real a epruvetei solicitate de Fmax (v. fig. 3.9). d) Aeznd cap la cap cele dou pri ale epruvetei rupte la ncercarea la traciune i msurnd dimensiunile acesteia, se determin distana (lungimea) ultim ntre reperele din poriunea calibrat Lu i aria seciunii transversale n zona (gtuit) n care s-a produs ruperea (aria minim a seciunii dup rupere) Su i se pot defini nc dou caracteristici mecanice ale materialului ncercat: * alungirea procentual dup rupere (sau alungirea la rupere) A: A= Z=Lu L0 100 ; L0 S0 Su 100 S0

(3.6)

* coeficientul de gtuire (numit i gtuire sau striciune i exprimat n %) Z: (3.7)

Din datele prezentate anterior reiese c, folosind rezultatele ncercrii la traciune se pot determina o serie de caracteristici mecanice importante ale materialelor metalice: modulul de elasticitate longitudinal E; limita de curgere (aparent Re sau convenional Rp) sau caracteristicile echivalente acesteia (limita de alungire remanent Rr sau limita de extensie convenional Rt); rezistena la traciune Rm; alungirea procentual dup rupere A; coeficientul de gtuire Z i se pot face aprecieri calitative i cantitative privind proprietile de elasticitate i plasticitate ale acestora. Astfel, capacitatea de deformare elastic a oricrui material metalic se poate exprima cantitativ prin valoarea energiei Ue, care poate fi nmagazinat de material n procesul de deformare elastic i poate fi eliberat la nlturarea solicitrilor care au produs deformarea. Valoarea energiei Ue corespunde ariei de sub poriunea liniar a CCCT (aria domeniului triunghiular OCB, v. fig. 3.9, a) i va fi dat de o relaie de forma: Ue =2 Re 2E

;

(3.8)

rezult astfel c valoarea energiei Ue, ce exprim cantitativ elasticitatea unui material metalic, este direct proporional cu ptratul limitei de curgere a materialului i invers proporional cu modulul de elasticitate longitudinal al acestuia. De asemenea, capacitatea de deformare plastic a unui material metalic se poate exprima cantitativ prin valoarea energiei Up, care poate fi preluat de material n procesul de deformare plastic a acestuia nainte de rupere. Valoarea energiei Up , ce exprim tenacitatea unui material sau capacitatea de deformare plastic a unui material nainte de rupere, corespunde ariei de sub poriunea118


neliniar a CCCT (aria domeniului BCDE, aproximativ egal cu aria domeniului OCDE, v. fig. 3.9 a) i este direct proporional cu limita de curgere, cu alungirea procentual dup rupere i cu diferena (sau raportul) dintre rezistena la traciune i limita de curgere corespunztoare materialului.

3.5. Influena temperaturii asupra materialelor metalice ecruisate prin deformare plasticDeformarea plastic conduce la ecruisarea materialelor metalice i la formarea structurii fibroase (texturii de deformare). Datorit acestor modificri (de proprieti i de structur) materialele metalice deformate plastic nu se gsesc n starea termodinamic de echilibru stabil i au tendina de a suferi transformrile structurale capabile s le aduc ntr-o astfel de stare (caracterizat printr-un nivel minim al energiei libere); aceste transformri structurale au ca principal mecanism difuzia i, ca urmare, sunt puternic influenate de temperatura la care se desfoar (temperatura la care este nclzit materialul metalic ecruisat prin deformare plastic). A. Dac un material metalic ecruisat prin deformare plastic este nclzit la o temperatur situat n jurul valorii Tr = (0,2...0,3)Ts (Ts fiind temperatura de solidificare - topire a materialului, n K), se obine o cretere sensibil a mobilitii atomilor care compun structura i, ca urmare, sunt activate fenomenele de autodifuzie i eterodifuzie, pe baza crora se reduc distorsiunile structurii cristaline deformate i se deplaseaz, se redistribuie i se anuleaz prin interaciune imperfeciunile acestei structuri (vacane, atomi interstiiali, dislocaii etc.), realizndu-se o scdere a densitii de defecte, o poligonizare a cristalelor (prin mecanismul sugerat n fig.3.10, constnd din deplasarea dislocaiilor n planele de alunecare, redistribuirea lor sub form de perei de dislocaii sau limite la unghiuri mici i divizarea cristalelor n subcristale sau blocuri cristaline cu densitate minim de defecte) i, n consecin, o refacere parial a capacitii de deformare plastic a materialului metalic. Procesul de transformare descris este denumit restaurare. B. Dac un material metalic ecruisat prin deformare plastic este nclzit la o temperatur situat deasupra valorii Trp 0,4Ts (Ts fiind temperatura de solidificare - topire a materialului, n K), mobilitatea atomilor care compun structura crete apreciabil i se creaz condiiile desfurrii unui proces de transformare a structurii fibroase, cu cristale alungite unidirecional, ntr-o structur de echilibru cu cristale poliedrice (echiaxiale) i cu plasticite bun (asemntoare structurii pe care o avea materialul metalic naintea ecruisrii sale prin deformare plastic). Acest proces, numit recristalizare primar, se119


desfoar (ca i cristalizarea primar, v. scap. 1.4) n dou etape: a) germinarea, constnd din apariia germenilor cristalelor poliedrice ale noii structuri (n zonele cu niveluri energetice mai ridicate ale structurii fibroase, cum ar fi, de exemplu, zonele de la limitele cristalelor, n care au fost blocate i s-au acumulat dislocaiile deplasate prin alunecare n procesul de deformare care a produs ecruisarea materialului); b) creterea germenilor (cu dimensiunile superioare dimensiunii critice, v.scap. 1.4) i formarea cristalelor poliedrice ale noii structuri.

Fig. 3.10 Mecanismul procesului de poligonizare prin deplasarea dislocaiilor sub aciunea temperaturii

Fig. 3.11 Diagrama de recristalizare a materialelor metalice ecruisate prin deformare plastic

Dimensiunile cristalelor obinute prin recristalizarea primar sunt dependente de temperatura la care s-a realizat procesul, T Trp ( Trp fiind numit temperatur de recristalizare primar) i de gradul de deformare realizat n procesul de deformare plastic prin care s-a produs ecruisarea materialului metalic GD, definit printr-o relaie de forma: GD =S D S0 S0

100 ,

(3.9)

n care S0 este aria seciunii transversale sau lungimea materialului metalic naintea procesului de deformare plastic, iar SD - aria seciunii transversale sau lungimea materialului metalic ecruisat prin deformare plastic. Dependenele dintre dimensiunile cristalelor obinute prin recristalizarea primar i aceti doi factori se reprezint sub forma unor diagrame spaiale, de tipul celei prezentate n figura 3.11, numite diagrame de recristalizare. Analiznd o astfel de diagram, se pot desprinde urmtoarele concluzii: * procesele de recristalizare primar pot conduce la structuri cu cristale fine (structuri cu granulaie fin), dac temperatura la care au loc procesele este apropiat de Trp i/sau gradul de deformare al materialului metalic supus recristalizrii a fost mare;120


* pentru orice material metalic exist o valoare a gradului de deformare, numit grad critic de deformare GDcr, creia i corespunde structura de recristalizare primar cu dimensiunile maxime ale cristalelor poliedrice (structura de recristalizare cea mai grosolan) i cu plasticitatea (tenacitatea) minim, aa cum rezult din figura 3.12. C. Dac un material metalic ecruisat prin deformare plastic este meninut timp ndelungat la temperatura de recristalizare primar sau este supus recristalizrii primare la o temperatur T >> Trp , structura cu cristale poliedrice, rezultat prin desfurarea procesului de recristalizare primar, sufer un proces numit creterea cristalelor (creterea granulaiei) i i micoreaz energia liber. Procesul const din formarea unei structuri cu granulaie grosolan (cu un numr mic de cristale de dimensiuni mari), n care suprafeele de separare intergranular (limitele de cristale), caracterizate prin niveluri energetice ridicate, au extindere redus; mecanismul procesului poate fi descris sintetic astfel: atomii fiecrui grup de cristale poliedrice adiacente se redistribuie prin difuzie ntr-o structur cristalin unic (cu aceeai orientare a planelor i direciilor cristalografice) i formeaz cte un singur cristal de dimensiuni mari.

Fig. 3.12. Reducerea proprietilor de plasticitate prin recristalizarea materialelor metalice deformate la gradul critic

Fig. 3.13. Dependena dintre caracteristicile mecanice Rm i A i temperatura la care sunt nclzite materialele metalice ecruisate prin deformare plastic

D. Dac un material metalic ecruisat prin deformare plastic este supus recristalizrii la o temperatur T >>> Trp , este posibil s se produc un proces numit recristalizare secundar, care const din cretera intens, preferenial a unor cristale ale structurii obinute prin recristalizarea primar i obinerea unei structuri cu granulaie foarte neuniform. Motivele realizrii acestui proces sunt incomplet elucidate, n prezent presupunndu-se c procesul este determinat de repartizarea i dizolvarea neuniform a impuritilor existente la marginea cristalelor, de caracterul chimic al atmosferei cuptorului n care este nclzit materialul metalic i de neuniformitile texturii de deformare a materialului supus recristalizrii.121


Realizarea proceselor de transformare structural descrise anterior conduce i la modificarea caracteristicilor mecanice ale materialelor metalice, aa cum se prezint n diagrama din figura 3.13; n aceast diagram, Rm este rezistena la rupere (ce caracterizeaz rezistena la solicitri mecanice a materialului metalic), iar A este alungirea procentual dup rupere (ce caracterizeaz plasticitatea i tenacitatea materialului). Dac un material metalic este deformat plastic la o temperatur Tdp > Trp, procesele de deformare (care produc structura fibroas i ecruisarea materialului) se vor desfura concomitent cu procesele de restaurare i recristalizare primar (care elimin structura fibroas i ecruisarea materialului) i materialul va prezenta o bun plasticitate n tot timpul deformrii ; deformarea plastic (fr ecruisare) realizat la o temperatur Tdp Trp 0,4Ts se numete deformare plastic la cald (sau deformare plastic fr ecruisare), iar deformarea plastic realizat la o temperatur Tdp < Trp 0,4Ts (nsoit de formarea unei structuri fibroas i de ecruisarea materialului metalic) este denumit deformare plastic la rece.

3.6. Ruperea materialelor metaliceRuperea este fenomenul de fragmentare a unui material (unei piese) n dou sau mai multe pri sub aciunea unei stri de tensiuni mecanice. Ruperile materialelor (pieselor) metalice se pot clasifica folosind mai multe criterii: a) modul cristalografic de rupere; b) aspectul ruperii; c) mrimea deformaiilor plastice care preced ruperea. Utiliznd primul criteriu (modul cristalografic de rupere), care consider fenomenul de rupere la scar atomic, ruperile se ncadreaz n dou categorii: ruperi prin clivaj (smulgere), produse prin aciunea unor tensiuni mecanice normale aa cum se arat n figura 3.14 a i ruperi prin forfecare, produse prin aciunea unor tensiuni mecanice tangeniale , aa cum se sugereaz n figura 3.14 b. Dac se utilizeaz cel de-al doilea criteriu (aspectul ruperii), care consider fenomenul de rupere la scar microscopic, ruperile se clasific n dou categorii: ruperi cu aspect cristalin - strlucitor i ruperi cu aspect fibros. Dac se folosee cel de-al treilea criteriu (mrimea deformaiilor plastice care preced ruperea), care consider fenomenul de rupere la scar macroscopic, ruperile se ncadreaz n dou categorii: ruperi fragile, precedate de deformaii plastice nesemnificative i care se propag cu viteze foarte mari i ruperi ductile, caracterizate prin deformaii plastice apreciabile produse naintea i n timpul realizrii fenomenelor de rupere.122


Categoriile de clasificare a ruperilor materialelor (pieselor) metalice sunt net corelate; astfel, ruperile fragile se produc prin clivaj (smulgere), au propagare intercristalin (prin limitele cristalelor care alctuiesc structura materialului) sau transcristalin (prin grunii cristalini care compun structura materialului) i prezint aspect cristalin - strlucitor, iar ruperile ductile se produc prin forfecare, au, de obicei, propagare transcristalin i prezint aspect fibros.

Fig. 3.14 Modurile cristalografice de rupere a materialelor metalice: a - rupere prin clivaj (smulgere) ; b - rupere prin forfecare

Fig. 3.15 Efectul prezenei concentratorilor de tensiuni n piesele metalice solicitate mecanic

Comportarea fragil sau ductil la rupere nu este ntotdeauna o nsuire intrinsec a fiecrui material metalic (o nsuire dependent numai de compoziia chimic i de caracteristicile structurale ale materialului). Comportarea la rupere poate fi influenat esenial de factorii ce descriu condiiile solicitrii mecanice care determin ruperea: a) temperatura materialului n timpul solicitrii; b) viteza de solicitare (viteza de aplicare a sarcinilor i/sau viteza de deformare a materialului); c) gradul de triaxialitate al strilor de tensiuni generate n materialul supus solicitrii, dependent de complexitatea solicitrii i de prezena n material a concentratorilor de tensiuni. Complexitatea unei solicitri mecanice este determinat de modul n care acioneaz sarcinile (forele) care o produc i de tipul efectelor (simple sau combinate) de deformare realizate (ntindere, compresiune, ncovoiere, forfecare, torsiune etc.), iar concentratorii de tensiuni sunt discontinuiti ale materialului (orificii, crestturi, zgrieturi, incluziuni, fisuri etc.) care determin creteri locale ale intensitii tensiunilor generate de solicitrile mecanice; aa cum se arat n figura 3.15: * n vecintatea oricrui concentrator de tensiuni, intensitatea tensiunilor produse de o solicitare mecanic are o valoare (max) mult mai mare dect valoarea nominal (n) a intensitii tensiunilor generate de aceeai solicitare n materialul lipsit de concentrator (sau n materialul situat la o distan mare fa de concentrator); ca urmare, orice concentrator de tensiuni se poate caracteriza printr-un coeficient de123


concentrare a tensiunilor mecanice c, definit prin relaia: c = max n

> 1;

(3.10)

* starea de tensiuni produs de o solicitare mecanic n vecintatea unui concentrator de tensiuni este triaxial, adic pe toate feele oricrui element de volum (de forma unei prisme patrulatere drepte, v. scap 3.1, fig. 3.2) al materialului situat n aceast zon acioneaz tensiuni normale cu intensiti nenule, chiar dac starea de tensiuni produs de aceeai solicitare n materialul lipsit de concentrator este simpl (monoaxial sau plan). Prin cercetri experimentale privind comportarea la rupere a unui numr mare de materiale metalice cu utilizri industriale s-a constatat c, pentru fiecare din cei trei factori de descriere a condiiilor de solicitare mecanic (precizai anterior) poate fi definit un prag caracteristic, la traversarea cruia comportarea la rupere se modific din ductil n fragil sau invers (n funcie de sensul de variaie a factorului la traversarea pragului). De obicei, se consider ca factor principal temperatura materialului n timpul solicitrii, iar pragul caracteristic corespunztor acestui factor este denumit temperatur de tranziie ductil fragil ttr, (dac temperatura materialului solicitat mecanic este t > ttr, comportarea sa la rupere este ductil, iar dac temperatura materialului coboar la t < ttr materialul prezint o comportare fragil la rupere). Influenele celorlali doi factori se iau n considerare prin modificrile pe care le produc valorii temperaturii de tranziie; astfel, mrirea vitezei de solicitare (solicitarea dinamic sau prin ocuri) i/sau creterea gradului de triaxialitate al strilor de tensiuni (datorit complexitii solicitrii mecanice sau prezenei concentratorilor de tensiuni) determin tendina oricrui material metalic spre o comportare fragil la rupere i produce creterea temperaturii de tranziie a materialului respectiv (extinderea domeniului de temperaturi n care materialul manifest o comportare fragil la rupere i, ca urmare, restrngerea domeniului de temperaturi n care comportarea la rupere a materialului este ductil). Procesul de rupere (fragil sau ductil) a unui material metalic are dou etape de desfurare: a) iniierea ruperii, constnd din apariia (germinarea) unor microfisuri (germeni sau nuclee de rupere) n materialul metalic solicitat mecanic; b) propagarea ruperii, constnd din extinderea (creterea) microfisurilor n materialul metalic supus solicitrilor mecanice. a) Iniirea ruperii este controlat (determinat), att n cazul ruperii fragile, ct i n cazul ruperii ductile, de tensiunile tangeniale create (prin aciunea solicitrilor mecanice) n lungul planelor de alunecare ale cristalelor materialului metalic. Aceste tensiuni realizeaz deplasarea dislocaiilor n planele de alunecare, deplasare echivalent iniierii unui proces de deformare plastic a124


cristalelor (v.scap. 3.2). Deplasarea dislocaiilor determin posibilitatea ca acestea s interacioneze (cu alte dislocaii ntlnite pe parcursul micrii), s fie blocate (de dislocaiile de acelai semn, de limitele de cristale sau de alte obstacole) i s se acumuleze n jurul barierelor (obstacolelor) ntlnite. Aa cum se observ n figura 3.16, acumularea dislocaiilor de acelai semn n jurul unui obstacol este echivalent cu apariia unei microfisuri, deoarece determin creterea local important a distanelor dintre atomi i dispariia forelor de legtur interatomic (pierderea coeziunii interatomice). b) Propagarea ruperii fragile este controlat (determinat) de tensiunile normale de ntindere, cu direcia de aciune perpendicular pe planul microfisurilor iniiate n materialul metalic supus solicitrilor mecanice. Aa cum se observ n figura 3.16, tensiunile normale de ntindere tind s mreasc distanele dintre atomi n jurul microfisurilor iniiate prin acumularea de dislocaii i s produc extinderea microfisurilor prin pierderea coeziunii ntre atomii de la vrful acestora; deoarece efectul (coeficientul) de concentrare a tensiunilor corespunztor microfisurilor sporete odat cu creterea dimensiunilor acestora, procesul de propagare a ruperii este continuu accelerat i se realizeaz cu vitez din ce n ce mai mare (ruperea fragil are o propagare instabil). Trebuie remarcat (v. fig. 3.16) c, dac tensiunile normale pe planul microfisurilor iniiate n materialul metalic sunt de compresiune, procesul de propagare a fisurilor este inhibat ( exist tendina nchidereii fisurilor) i ruperea fragil nu se produce. Propagarea ruperii ductile este controlat (determinat) de tensiunile tangeniale create n jurul microfisurilor iniiate n materialul metalic supus solicitrilor mecanice. Sub aciunea acestor tensiuni are loc deformarea plastic a materialului de la vrful microfisurilor, se produce rotunjirea microfisurilor (microfisurile se transform n microgoluri, cu un efect sczut de concentrare a tensiunilor) i n materialul din jurul acestora apar noi microfisuri (prin mecanismul de deplasare prin alunecare i acumulare a dislocaiilor); ca urmare, procesul de propagare a ruperii ductile se desfoar stabil, cu un mare consum de energie pentru deformarea plastic, gtuirea i ruperea punilor dintre microgolurile ce se creaz continuu pe parcursul ruperii n materialul metalic supus solicitrilor mecanice. Din cele prezentate anterior rezult c ruperea fragil este un fenomen greu de diagnosticat (prognozat), care se produce intempestiv , se propag cu viteze foarte mari (instabil) i poate avea urmri catastrofale, n timp ce ruperea ductil este un fenomen uor de detectat, care se produce stabil, dup epuizarea capacitii de deformare plastic a materialului metalic supus solicitrilor mecanice. Ca urmare, la proiectarea pieselor metalice destinate aplicaiilor tehnice se pune condiia ca materialul metalic ales pentru confecionarea acestora s prezinte o comportare ductil la rupere pe tot domeniul125


temperaturilor de exploatare (utilizare) a lor; astfel, dac domeniul temperaturilor de exploatare a pieselor are limita inferioar temin, materialul metalic din care se realizeaz acestea trebuie s prezinte o temperatur de tranziie ductil-fragil ttr, care s asigure ndeplinirea condiiei: (3.11) temin > ttr Utilizarea criteriului (3.11) impune cunoaterea caracteristicii ttr pentru materialele metalice cu utilizri industriale (tehnice).

3.7. ncercarea la ncovoiere prin oc a materialelor metalicePentru a evidenia particularitile comportrii la rupere a materialelor metalice la diferite temperaturi se folosete (ca ncercare de referin) ncercarea la ncovoiere prin oc. Condiiile i modul de realizare a ncercrii la ncovoiere prin oc i caracteristicile mecanice care se pot determina prin aceast ncercare sunt reglementate prin standardul SR EN 10045 (care reprezint versiunea n limba romn a standardului european EN 10045). ncercarea la ncovoiere prin oc se execut pe epruvete confecionate din materialul metalic care se cerceteaz, avnd configuraia i dimensiunile n conformitate cu prescripiile SR EN 10045. Aa cum se poate observa n figura 3.17, epruvetele standardizate au forma unor prisme ptrate drepte, cu lungimea (nlimea) de 55 mm i latura bazei de 10 mm i sunt prevzute pe una din feele laterale cu o cresttur central (un concentrator de tensiuni mecanice); n funcie de forma crestturii, epruvetele pot fi: a) cu cresttur n form de V, la care cresttura are adncimea de 2 mm, unghiul de deschidere de 450 i raza de rotunjire la vrf de 0,25 mm; b) cu cresttur n form de U (sau cu cresttur n form de gaur de cheie), la care cresttura are adncimea de 5 mm i raza la vrf de 1 mm. Pentru efectuarea ncercrii la ncovoiere prin oc se utilizeaz, de obicei, o main numit ciocan - pendul Charpy, avnd construcia prezentat n figura 3.18. nainte de realizarea ncercrii, pendulul (alctuit din placa de lovire sau ciocanul 1, braul 2 i articulaia 3) este ridicat ntr-o poziie de lansare, creia i corespunde o energie (potenial) a pendulului, numit energie nominal, W0; n mod obinuit W0 = 300 J, existnd posibilitatea modificrii acestei valori (care depinde de masa plcii de lovire i de nlimea la care este ridicat pendulul) prin schimbarea plcii de lovire a pendulului. Epruveta care urmeaz a fi supus ncercrii se aeaz liber pe reazemele (suporturile) 4, amplasate pe batiul (corpul) mainii 5. Pentru efectuarea ncercrii se permite cderea pendulului din poziia de lansare, ciocanul 1 lovete epruveta pe faa opus crestturii i produce126


ruperea acesteia (dintr-o singur lovitur), pe cadranul mainii 6 nregistrndu-se valoarea energiei consumate (absorbite) pentru ruperea epruvetei Wr; deoarece n timpul cderii energia potenial a pendulului se transform n energie cinetic, la impactul cu epruveta viteza ciocanului este vp = 5,0...5,5 m/s i solicitarea care produce ruperea epruvetei este dinamic (ncovoiere prin oc).

Fig.3.16. Mecanismele iniierii i propagrii ruperilor materialelor metalice

Fig. 3.17. Epruvete pentru ncercarea la ncovoiere prin oc

Caracteristica mecanic determinat prin ncercarea la ncoovoiere prin oc este energia de rupere, notat KV = Wr, dac s-a ncercat o epruvet cu cresttura n form de V sau KU = Wr, dac epruveta ncercat a avut cresttura n form de U. n unele cazuri, caracteristica mecanic prin care se exprim rezultatul ncercrii la ncovoiere prin oc este reziliena, notat KCV sau KCU (funcie de forma crestturii epruvetei ncercate) i definit prin relaia: KCV sau KCU =Wr S0

,

(3.12)

S0 fiind aria seciunii transversale iniiale a epruvetei n planul de simetrie al crestturii (S0 = 0,8 cm2, n cazul epruvetei cu cresttura n form de V i S0 = 0,5 cm2, n cazul epruvetei cu cresttura n form de U); n mod obinuit, reziliena se exprim n J/cm2. Valoarile energiei de rupere (sau rezilienei) determinate prin ncercarea la ncovoiere prin oc a unor epruvete dintr-un anumit material sunt n direct corelaie cu comportarea la rupere a materialului (sunt caracteristici ce exprim tenacitatea la rupere a materialului): dac materialul prezint o comportare fragil la rupere (rupere cu aspect cristalin - strlucitor), valorile energiei de rupere (sau rezilienei) sunt sczute, iar dac materialul prezint o comportare ductil la rupere (rupere cu aspect fibros), valorile energiei de rupere (sau rezilienei) sunt ridicate (se consum energie att pentru realizarea suprafeelor de rupere, ct i pentru deformarea plastic apreciabil a materialului nainte de rupere). Pornind127


de la aceast constatare, a aprut ideea c rezultatele ncercarii la ncovoiere prin oc a unui material metalic se pot utiliza pentru determinarea unei temperaturi (convenionale) de tranziie ductil - fragil a materialului respectiv. n acest scop, din materialul metalic analizat se preleveaz mai multe epruvete, se efectueaz ncercarea la ncovoiere prin oc a acestora la diferite temperaturi, iar rezultatele obinute se transpun n diagrame, avnd n abscis temperatura, iar n ordonat valorile caracteristicii KV sau KU, aa cum se prezint n figura 3.19 a; deoarece majoritatea materialelor metalice au un domeniu de temperaturi n care prezint o comportare bimodal la rupere (parial fragil i parial ductil), temperatura de tranziie ductil - fragil se definete prin criterii convenionale, cum ar fi:

Fig. 3.18. Ciocanul - pendul Charpy i modul de efectuare a ncercrii la ncovoiere prin oc

* temperatura de tranziie ductil - fragil este temperatura la care KV are o valoare prescris X (se noteaz tKVX); * temperatura de tranziie ductil - fragil este temperatura la care KV sau KU are o valoare egal cu jumtate din valoarea energiei de rupere corespunztoare comportrii ductile la rupere (se noteaz t0,5); * temperatura de tranziie ductil - fragil este temperatura la care jumtate din aria suprafeelor de rupere ale epruvetelor are aspect (cristalin - strlucitor) de rupere fragil (se noteaz t50%). Utilizarea ncercrii la ncovoiere prin oc la determinarea temperaturii de tranziie ductil - fragil a materialelor metalice a evideniat urmtoarele aspecte (v. fig. 3.19 b):128


* materialele metalice cu structur monofazic de metal pur sau soluie solid i reele cristaline de tip CFC prezint comportare ductil la rupere la orice temperatur (temperatura lor de tranziie ductil - fragil este situat la temperaturi foarte sczute, n vecintatea temperaturii 0 K);

Fig. 3.19. Variaia cu temperatura a caracteristicilor KV sau KU la diferite materiale metalice

* unele materiale metalice (cum ar fi compuii intermetalici sau aliajele care conin n structur eutectice cu compui intermetalici) au comportare fragil la rupere pe un domeniu de temperaturi foarte extins (temperatura lor de tranziie ductil - fragil este situat la temperaturi ridicate); * materialele metalice n structura crora predomin faze de tip soluie solid sau metal pur cu reele cristaline de tip CVC prezint temperaturi de tranziie ductil - fragil situate n domeniul -100 0C...+100 0C, domeniu uzual de exploatare al construciilor tehnice; pentru piesele confecionate din astfel de materiale este important considerarea la poiectare a criteriului (3.11) i efectuarea ncercrii la ncovoiere prin oc pentru verificarea comportrii ductile la rupere la temperatura de utilizare. n prezent, exist tendina de a nlocui metoda folosirii rezultatelor ncercrii la ncovoiere prin oc pentru definirea criteriilor i caracteristicilor de apreciere a comportrii la rupere a materialelor metalice cu metode mai bine fundamentate teoretic i experimental, dezvoltate n cadrul unei tiine interdisciplinare moderne, numit mecanica ruperii materialelor; ncercrile corespunztoare determinrii caracteristicilor de tenacitate definite de mecanica ruperilor sunt ns mult mai complicate i mai costisitoare dect ncercarea la ncovoiere prin oc.129


3.8. Fluajul materialelor metaliceAa cum s-a artat n scap. 3.3, n mod obinuit, procesul de deformare plastic a materialelor metalice ncepe cnd tensiunile create n acestea sub aciunea solicitrilor mecanice la care sunt supuse depesc limita lor de curgere i se continu dac intensitatea acestor tensiuni are o evoluie monoton cresctoare n timp. Dac solicitrile mecanice aplicate acioneaz timp ndelungat (zile, luni, ani), procesul de deformare plastic a materialelor metalice poate ncepe chiar dac tensiunile create sub aciunea acestora au intensiti mai mici dect limita lor de curgere i se continu chiar dac solicitrile i, ca urmare, tensiunile create de acestea, i menin constant intensitatea. Fenomenul de deformare lent i continu n timp a unui material metalic sub aciunea unor solicitri (tensiuni) mecanice constante se numete fluaj, iar ruperile produse datorit acestui fenomen se numesc ruperi prin fluaj. S-a constatat experimental c unul din factorii principali care determin apariia i desfurarea fenomenului de fluaj este temperatura, fenomenul manifestndu-se cu intensitate mare dac materialul metalic solicitat mecanic are temperatura T 0,4Ts Trp, Ts fiind temperatura de solidificare - topire, iar Trp - temperatura de recristalizare primar ale materialului. Pentru un material metalic aflat la o anumit temperatur T = ct., n care o solicitare mecanic invariabil genereaz tensiuni cu intensitatea = ct., comportarea la fluaj poate fi redat sintetic prin curba de fluaj, reprezentnd variaia deformaiilor specifice ale materialului n funcie de timp , = f() i prin curba de variaie n timp a vitezei de fluaj vf, vf = f(). Curbele de acest tip, reprezentate n figura 3.20 pentru un material metalic, evideniaz c fenomenul de fluaj are mai multe etape de desfurare: * n etapa iniial (0), pe materialul metalic aflat la temperatura T = ct. se aplic solicitrile mecanice care genereaz tensiunile =ct. i materialul capt (instantaneu) deformaia specific 0, de natur elastic (dac tensiunile se situeaz sub limita de curgere a materialului la temperatura T) sau plastic (dac tensiunile depesc limita de curgere a materialului la temperatura T). * n urmtoarea etap (I), numit etapa fluajului primar sau etapa fluajului nestabilizat, are loc creterea continu a deformaiei specifice , n condiiile unei evoluii descresctoare a vitezei vf. Procesele de deformare plastic ce se produc n aceast etap sunt localizate n corpul cristalelor care alctuiesc structura materialului metalic i se desfoar prin aciunea combinat a tensiunilor mecanice i a fenomenelor de difuzie: tensiunile mecanice produc deformarea plastic prin mecanismul deplasrii dislocaiilor n lungul planelor de130


alunecare ale cristalelor, iar procesele de difuzie faciliteaz deformarea, ajutnd dislocaiile s depeasc obstacolele care le blocheaz deplasarea (de exemplu, prin crarea dislocaiilor n planele de alunecare lipsite de bariere) i diminund numrul de obstacole din calea dislocaiilor (de exemplu, prin activarea interaciunii dintre dislocaiile de semne contrare sau dintre atomi i vacane). Procesele de deformare plastic descrise au ca efecte ecruisarea materialului (creterea rezistenei la deformare a materialului) i reducerea progresiv a vitezei de fluaj; deoarece temperatura este superioar temperaturii de recristalizare primar a materialulu solicitat mecanic, plasticitatea acesuia este refcut progresiv prin declanarea unor procese de restaurare - recristalizare primar (care elimin ecruisarea, confer materialului plasticitatea necesar continurii proceselor de deformare i mpiedic scderea la zero a vitezei de fluaj). * Din momentul n care procesele de deformare plastic - ecruisare i restaurare - recristalizare primar i-au echilibrat reciproc efectele, viteza de fluaj devine constant (vf = ct.) i ncepe o nou etap (II), numit etapa fluajului secundar sau etapa fluajului stabilizat, n care principalele procese care se desfoar sunt localizate la limitele cristalelor care alctuiesc structura materialului solicitat mecanic. n aceast etap, dislocaiile deplasate prin alunecare n cristale sunt blocate la limitele cristalelor, se acumuleaz n aceste zone i genereaz microgoluri (microfisuri), care se unesc ntre ele i i mresc astfel dimensiunile; mecanismul formrii i creterii microgolurilor este asemntor mecanismului de iniiere i propagare a ruperii ductile (v. scap.3.5). * Datorit apariiei i creterii microgolurilor intercristaline, de la un moment dat viteza de fluaj ncepe s creasc, procesul de deformare se accelereaz progresiv i se intr ntr-o nou etap (III), numit etapa fluajului teriar sau etapa fluajului accelerat, care se ncheie n momentul cnd se produce ruperea materialului (IV). Comportarea la fluaj a unui material metalic, descris de configuraia curbei de fluaj, de curba vitezelor de fluaj, de duratele celor trei etape principale ale procesului de fluaj i de durata (total) de solicitare a materialului nainte de rupere f , este influenat esenial de intensitatea tensiunilor de solicitare = ct i de mrimea temperaturii la care se desfoar procesul T = ct., aa cum se poate observa examinnd diagramele din figura 3.21. Pentru determinarea comportrii la fluaj a unui material metalic se folosesc ncercri mecanice speciale, cum ar fi, de exemplu, ncercarea la rupere prin fluaj, reglementat prin STAS 8894. Cu ajutorul acestor ncercri se determin curbele de fluaj i curbele de variaie n timp a vitezei de fluaj n diferite condiii de solicitare mecanic i la diferite temperaturi i se definesc dou caracteristici mecanice capabile s reflecte comportarea la fluaj a materialului analizat:131

ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELORT a) limita tehnic de fluaj R / : tensiunea mecanic de solicitare a materialului la temperatura T, corespunztoare realizrii unei deformaii specifice prescrise , dup o perioad de timp prescris ; n mod obinuit, valorile prescrise sunt = 1 % i = 100000 ore i limita tehnic de fluaj se T noteaz R1 / 10000 ;

Fig.3.20. Curba tipic de fluaj a materialelor metalice

Fig. 3.21. Influena intensitii tensiunilor i a temperaturii asupra comportrii la fluaj a materialelor metalice

T b) rezistena tehnic de durat Rr / : tensiunea mecanic de solicitare a materialului la temperatura T , pentru care ruperea prin fluaj se nregistreaz dup o perioad de timp prescris ; n mod obinuit, durata de solicitare pn la rupere prescris este = 100000 ore i rezistena tehnic T dedurat se noteaz Rr / 100000 La proiectarea pieselor sau construciilor tehnice care urmeaz a fi exploatate n condiii de temperatur ridicat trebuie avut n vedere att pericolul apariiei ruperii, ct i cel al creterii inadmisibile a deformaiilor n timp datorit fenomenului de fluaj. n acest scop se folosesc criterii de durabilitate limitat: durata de exploatare a piesei sau construciei (la temperatura T, cu tensiunile de solicitare ) e nu trebuie s fie mai mare

132


dect durata necesar apariiei ruperii prin fluaj f (sau dect durata necesar nregistrrii unor deformaii specifice mai mari dect cele admisibile d ): (3.13) e < f (sau e < d ) Utilizarea criteriului (3.13) impune cunoaterea caracteristicilor f i/sau pentru materialele metalice cu utilizri industriale (tehnice), caracteristici care d se pot determina construind experimental curbele de fluaj, la diferite temperaturi, ale acestor materiale.

3.9. Oboseala materialelor metaliceComportarea unui material metalic supus aciunii unei solicitri variabile (ce genereaz n material tensiuni mecanice cu intensiti variabile n timp) difer esenial de cea corespunztoare aciunii unor solicitri constante sau monoton cresctoare (ce genereaz n material tensiuni mecanice care nu-i modific intensitatea n timp sau care cresc continuu n intensitate pe msur ce trece timpul), ruperea sa putndu-se produce chiar dac intensitatea tensiunilor mecanice generate n timpul solicitrii este mai mic dect rezistena la traciune a materialului Rm. Fenomenul de degradare a materialelor metalice sub aciunea solicitrilor variabile se numete oboseal, iar ruperile produse datorit acestuia se numesc ruperi prin oboseal. n mod obinuit, solicitrile variabile la care sunt supuse piesele din materiale metalice au caracter periodic (ciclic) i, ca urmare, funcia = f(), ce exprim dependena de timp a intensitii tensiunilor generate de solicitri , este o funcie periodic; n aceste condiii, orice solicitare variabil se poate caracteriza complet printr-un ciclu al solicitrii, reprezentnd funcia = f() pe durata unei perioade a acesteia . Examinnd figura 3.22, care reprezint un astfel de ciclu de solicitare, se pot defini urmtoarele mrimi caracteristice ale unei solicitri variabile: tensiunea maxim max, tensiunea minim min, tensiunea medie m = min max max + min 22

, amplitudinea

tensiunii (tensiunea variabil) v = max - m = max min i coeficientul de asimetrie R = . Solicitrile variabile ale cror cicluri se caracterizeaz

prin acelai semn al tensiunilor se numesc solicitri ondulante (R 0); solicitarea ondulant la care min = 0 (R = 0), se numete solicitare pulsatoare.133


Solicitrile variabile la care pe parcursul fiecrui ciclu se schimb semnul tensiunilor se numesc solicitri alternante (R 0); solicitarea alternant la care min = max (R = 1), se numete solicitare alternant-simetric. Cercetrile experimentale au evideniat urmtoarele aspecte principale privind oboseala materialelor metalice: a) Graficul dependenei dintre tensiunea maxim a ciclurilor de solicitare, max i numrul ciclurilor de solicitare pn la ruperea unui material metalic (unei piese metalice) Nr , grafic numit curb de durabilitate la oboseal sau curb Whler, poate avea, aa cum se observ n figura 3.23 dou configuraii: * pentru majoritatea materialelor metalice, graficul are forma I, Nr crescnd continuu odat cu micorarea tensiunii max; * pentru unele materiale (de exemplu, fierul, oelurile, titanul i aliajele pe baz de Ti) graficul are forma II, prezentnd un palier la tensiunea O, numit rezisten la oboseal; la aceste materiale, solicitrile variabile caracterizate prin max < O nu produc ruperea (numrul ciclurilor de solicitare pn la ruperea materialului este, teoretic, infinit). Curbele de durabilitate la oboseal i/sau rezistena la oboseal corespunztoare unui material metalic se determin experimental prin ncercri mecanice speciale, cum ar fi ncercarea la oboseal prin ncovoiere rotativ, reglementat prin STAS 5878.

Fig.3.22. Caracteristicile ciclurilor de solicitare variabil

Fig.3.23. Curbele tipice de durabilitate la oboseal ale materialelor metalice

b) Procesul de degradare prin oboseal a unui material metalic (unei piese metalice) are trei stadii de desfurare: a) iniierea unei fisuri; b) propagarea lent (ntr-un numr mare de cicluri) i continu a fisurii, pn cnd seciunea transversal nefisurat (seciunea portant) a piesei devine insuficient pentru preluarea solicitrilor; c) ruperea brusc a seciunii transversale nefisurate n stadiile anterioare. Existena acestor trei stadii a fost evideniat prin cercetarea aspectului suprafeelor de rupere prin oboseal ale134


materialelor (pieselor) metalice, care prezint ntotdeauna trei zone caracteristice: a) zona de iniiere a unei fisuri (care se poate evidenia numai pe cale microscopic); b) zona de propagare a fisurii, cu aspect neted - lucios (vizibil cu ochiul liber); c) zona de rupere final (brusc), cu aspect cristalin sau fibros (vizibil cu ochiul liber). Mecanismul procesului de degradare prin oboseal a unui material metalic (unei piese metalice) poate fi descris sintetic astfel: * deformaiile produse de ctre solicitrile variabile au caracter eterogen, n anumite zone ale materialului (piesei), situate de obicei la suprafa, cum ar fi zonele cu cristalele orientate favorabil n raport cu sarcinile aplicate sau zonele cu concentratori de tensiuni macroscopici (zgrieturi, crestturi, orificii etc.) sau microscopici (impuriti, faze fragile etc.), producndu-se deformaii plastice, n timp ce n celelalte zone deformaiile sunt numai de natur elastic; * fenomenul de ecruisare ce afecteaz zonele cu deformaii plastice conduce, dup un anumit numr de cicluri de solicitare, la epuizarea capacitii de deformare a materialului i la iniierea unei fisuri; * procesul de deformare plastic localizat n zona din jurul vrfului fisurii iniiate (care acioneaz ca un puternic concentrator de tensiuni) conduce la realizarea condiiilor extinderii (propagrii) acesteia; * dup un anumit numr de cicluri, tensiunile generate de solicitarea mecanic n seciunea nefisurat a materialului (piesei) ating nivelul rezistenei la traciune Rm i materialul se rupe brusc. Piesele i construciile tehnice care urmeaz a fi supuse n exploatare unor solicitri variabile se proiecteaz innd seama de necesitate evitrii pericolului ruperii lor prin oboseal. Criteriile de verificare folosite n acest scop (dup dimensionarea piesei sau construciei i stabilirea tensiunilor caracteristice ale ciclurilor solicitrii variabile) se adopt n funcie de tipul curbei de durabilitate la oboseal corespunztoare materialului metalic din care se confecioneaz piesa sau construcia considerat; astfel: * dac materialul utilizat are o curb de durabilitate la oboseal de tipul I (v.fig.3.23), se folosete un criteriu de durabilitate limitat: numrul ciclurilor de solicitare n timpul utilizrii piesei sau construcie Ne trebuie s fie mai mic dect numrul ciclurilor de solicitare care produc ruperea prin obosel a materialului Nr: N e < N r; (3.14) * dac materialul utilizat are o curb de durabilitate la oboseal de tipul II i este cunoscut rezistena la oboseal O (v. fig.3.23), se folosete un criteriu de limitare a tensiunilor: tensiunile maxime care caracterizeaz135


solicitarea variabil a piesei n exploatare emax trebuie s rezistenei la oboseal O:

fie inferioare (3.15)

emax < O.

Utilizarea criteriilor (3.14) i (3.15) impune cunoaterea caracteristicilor Nr sau O pentru materialele metalice cu utilizri industriale (tehnice), caracteristici care se pot determina construind experimental curb de durabilitate la oboseal sau curb Whler, la diferite temperaturi, ale acestor materiale.

3.10. Duritatea materialelor metaliceDuritatea este propritatea unui material metalic de a opune rezisten la ptrunderea n stratul su superficial a unui penetrator (corp mai dur). Pentru determinarea caracteristicilor prin care se exprim cantitativ duritatea materialelor metalice se folosesc, de obicei, metodele prezentate n continuare. A. Metoda Brinell, reglementat prin standardul SR EN 10003-1 (care reprezint versiunea n limba romn a standardului european EN 10003-1), este o metod de determinare a duritii materialelor metalice care utilizeaz ca penetrator o sfer (bil) confecionat din oel (aliaj Fe-C) sau din carburi metalice. Pentru determinarea duritii unui material metalic prin aceast metod, se apas penetratorul sferic cu diametrul D, un timp d (d = 10...25 s), cu o for F, pe un eantion (prob, epruvet, pies) din materialul ce se analizeaz, iar dup ncetarea aciunii forei , se ndeprteaz penetratorul i se msoar diametrul d al urmei lsate de acesta pe material (v. fig. 3.24). Duritatea Brinell (simbolizat HBS, n cazul utilizrii unui penetrator din oel i HBW, n cazul utilizrii unui penetrator din carburi metalice) este o caracteristic mecanic definit (convenional) ca fiind raportul dintre fora aplicat pe penetrator la efectuarea determinrii F, exprimat n kgf (1kgf = 9,80665 N) i aria suprafeei urmei lsate de acesta pe materialul metalic analizat Sp, exprimat n mm2: HBS sau HBW =F Sp

;

(3.16)

deoarece suprafaa urmei lsate de penetrator pe materialul analizat are forma unei calote sferice, aria Sp este dat de relaia (v. fig.3.24): S p = Dh = DD D2 d 2 2

(3.17)

Condiiile normale (standard) de determinare a duritii Brinel corespund utilizrii penetratorului sferic cu D = 10 mm i aplicrii forei F = 3000 kgf136


(29420 N) o durat d = 10...15 s; se pot folosi ns (n funcie de configuraia i dimensiunile eantionului pe care se face determinarea i de particularitile structurale ale materialului analizat) i alte cupluri (D,F). Valorile duritii Brinell determinate pe un material metalic cu diferite cupluri (D,F) vor fi egale (sau foarte apropiate) dac toate cuplurile (D,F) utilizate se caracterizeaz prin aceiai valoare a unui raport kS, numit grad de solicitare, definit prin relaia: kS =F D2

,

(3.18)

n care F se introduce n kgf i D - n mm. Duritatea Brinell a unui material metalic se indic preciznd valoarea duritii, simbolul HBS sau HBW (funcie de materialul penetratorului sferic utilizat la determinarea duritii) i condiiile n care s-a determinat duritatea: diametrul penetratorului sferic D (n mm) / fora aplicat pe penetrator la determinarea duriti F (n kgf) / durata aplicrii forei pe penetrator d (n secunde); de exemplu, dac duritatea Brinell a unui material metalic s-a determinat cu un penetrator sferic confecionat din oel, cu diametrul D = 5 mm, apsat cu fora F = 750 kgf (7355 N), o durat d = 15 s, iar valoarea duritii a fost 220, se face indicaia: materialul metalic are duritatea 220 HBS 5/750/15. Prin cercetri experimentale s-a evideniat c pentru multe materiale metalice de importan practic (oeluri, fonte, aliaje pe baz de Cu etc.) exist o dependen (statistic) liniar ntre valorile duritii Brinell i valorile rezistenei la traciune Rm ; de exemplu, n cazul oelurilor, rezistena la traciune Rm, exprimat n N/mm2, se poate estima cu relaia Rm = 3,5(HBS sau HBW). B. Metoda Vickers, reglementat prin STAS 492/1 (aflat n concordan cu standardele internaionale ISO 409/1 i ISO 6507/1), este o metod de determinare a duritii materialelor metalice care utilizeaz ca penetrator o piramid ptrat dreapt confecionat din diamant, avnd unghiul diedru al feelor opuse de 1360 i unghiul dintre muchiile opuse de 1480. Pentru determinarea duritii unui material metalic prin aceast metod, se apas penetratorul piramidal din diamant, un timp d ( d = 10...35 s), cu o for F, pe un eantion (prob, epruvet, pies) din materialul ce se analizeaz, iar dup ncetarea aciunii forei , se ndeprteaz penetratorul i se msoar d + d2 diagonala d = 1 , a urmei lsate de acesta pe material (v. fig. 3.25). 2 Duritatea Vickers (simmbolizat HV) este o caracteristic mecanic definit (convenional) ca fiind raportul dintre fora aplicat pe penetrator la efectuarea determinrii F , exprimat n kgf (1kgf = 9,80665 N) i aria suprafeei urmei lsate de acesta pe materialul metalic analizat Sp , exprimat n mm2 :137


HV =

F Sp

;

(3.19)

deoarece suprafaa urmei lsate de penetrator pe materialul analizat are forma unei piramide ptrate drepte, aria Sp este dat de relaia (v. fig.3.25): Sp =d2 136 o 2 sin( ) 2

= 0,539d 2

(3.20)

Condiiile normale (standard) de determinare a duritii Vickers corespund aplicrii unei fore F = 30 kgf (294 N), o durat d = 10...15 s; se pot folosi ns (n funcie de configuraia i dimensiunile eantionului pe care se face determinarea i de particularitile structurale ale materialului analizat) i alte intensiti ale forei de apsare F. Valorile duritii Vickers determinate pe un material metalic cu diferite fore F sunt egale (sau foarte apropiate).

Fig. 3.24. Schema determinrii duritii prin metoda Brinell

Fig. 3.25. Schema determinrii duritii prin metoda Vickers

Duritatea Vickers a unui material metalic se indic preciznd valoarea duritii, simbolul HV i condiiile n care s-a determinat duritatea (dac acestea difer de condiiile normale): fora aplicat pe penetrator la determinarea duritii F (n kgf) / durata aplicrii forei pe penetrator d (n secunde); de exemplu, dac la determinarea duritii Vickers a unui material metalic s-a aplicat pe penetrator fora F = 10 kgf (98,07N), o durat d = 20 s i valoarea duritii a fost 250, se face indicaia: materialul metalic are duritatea 250 HV 10/20, dac s-a aplicat pe penetrator fora F = 10 kgf (98,07N), o durat d = 10...15 s i valoarea duritii a fost 250, se face indicaia: materialul metalic are duritatea 250 HV 10, iar dac s-au folosit condiiile standard (F = 30 kgf, d = 10...15 s) i138


valoarea duritii a fost 250, se face indicaia: materialul metalic are duritatea 250 HV. C. Metoda Rockwell, reglementat prin STAS 493 ( redactat n conformitate cu standardul internaional ISO 6508), este o metod de determinare a duritii materialelor metalice care utilizeaz ca penetrator un con confecionat din diamant, avnd unghiul la vrf de 120o , o sfer (bil) din oel cu diametrul de 1,5875 mm (1/16 in) sau o sfer (bil) din oel cu diametrul de 3,175 mm (1/8 in). Pentru determinarea duritii unui material metalic prin aceast metod se parcurg urmtoarele etape (v. fig 3.26): * se apas penetratorul cu o sarcin iniial (for iniial) F0 = 10 kgf (98,07 N) pe un eantion (prob, epruvet, pies) din materialul ce se analizeaz, dup care se face reglarea (manual sau automat) a dispozitivului de msurare i nregistrare a duritii; * se aplic pe penetrator o suprasarcin (for suplimentar) F1, apsarea cu fora F = F0 + F1 meninndu-se 2...8 s; * se ndeprteaz suprasarcina F1 i se determin adncimea de penetrare remanent (sub sarcina iniial) e. Duritatea Rockwell (simbolizat HR) este o caracteristic mecanic definit (convenional) prin relaia: HR = E - e, (3.21) n care E este lungimea unei scale de referin, iar e - adncimea de penetrare remanent determinat pe materialul analizat, ambele mrimi (E i e) fiind convertite n uniti de duritate Rockwell, folosind convenia 1 HR = 0,002 mm; n cazul folosirii penetratorului conic din diamant, E = 0,20 mm = 100 HR, iar n cazul folosirii penetratoarelor sferice din oel, E = 0,26 mm = 130 HR.

Fig. 3.26. Schema determinrii duritii prin metoda Rockwell

Fig.3.27. Dependena ntre compoziia soluiilor solide i proprietile mecanice ale acestora 139


Pentru ca metoda s poat fi utilizat la diverse materiale metalice, se folosesc tipurile de penetratoare prezentate anterior i diferite intensiti ale suprasarcinii F1, fiecare cuplu tip penetrator - suprasarci F1 definind o scar de determinare a duritii Rockwel; sunt standardizate 9 scri, simbolizate prin literele A,B...H,K, cu urmtoarele caracteristici: scara A con de diamant - F1 = 50 kgf (490,3 N), destinat determinrii duritii aliajelor dure i straturilor subiri din oeluri sau aliaje dure; scara B bil cu diametrul de 1,5875 mm - F1 = 90 kgf (882,6 N), destinat determinrii duritii aliajelor pe baz de Cu, oelurilor moi, aliajelor pe baz de Al i fontelor maleabile feritice; scara C con de diamant - F1 = 140 kgf (1373 N), destinat determinrii duritii oelurilor, fontelor albe i fontelor maleabile perlitice; scara D con de diamant - F1 = 90 kgf (882,6 N), destinat determinrii duritii oelurilor cu duritate medie i produselor subiri din oel sau font maleabil perlitic; scara E bil cu diametrul de 3,175 mm - F1 = 90 kgf (882,6 N), destinat determinrii duritii fontelor albe, aliajelor pe baz de Al, aliajelor pe baz de Mg i aliajelor pentru cuzinei; scara F bil cu diametrul de 1,5875 mm - F1 = 50 kgf (490,3 N), destinat determinrii duritii aliajelor moi pe baz de Cu i produselor subiri din materiale metalice moi; scara G bil cu diametrul de 1,5875 mm - F1 = 140 kgf (1373 N), destinat determinrii duritii fontelor maleabile, aliajelor Cu-Ni-Zn i aliajelor Cu-Ni; scara H bil cu diametrul de 3,175 mm - F1 = 50 kgf (490,3 N), destinat determinrii duritii aluminiului, zincului i plumbului; scara K bil cu diametrul 3,175 mm - F1 = 140 kgf (1373 N), destinat determinrii duritii produselor subiri i/sau din materiale metalice foarte moi. Duritatea Rockwell a unui material metalic se indic preciznd valoarea duritii, simbolul HR i simbolul scrii utilizate; de exemplu, dac la determinarea duritii Rockwel a unui material metalic s-a folosit scara C i s-a obinut valoarea 45, se d indicaia: materialul are duritate 45 HRC.

3.11. Dependenele ntre structur i proprieti mecanice la materialele metalicen cazul materialelor metalice (metale i aliaje), dependenele ntre structur i proprieti mecanice sunt deosebit de complexe. Principalele aspecte privind aceste dependene pot fi prezentate considernd pe rnd cazul materialelor metalice cu structur monofazic i cazul materialelor cu mai multe faze n structur. A. n cazul materialelor metalice cu structur monofazic, proprietile mecanice depind n principal de tipul i natura fazei care alctuiete structura.140


Astfel: * metalele pure au n general plasticitate i tenacitate ridicate, dar prezint rezisten mecanic i duritate relativ sczute; aceste proprieti sunt n legtur direct cu tipul structurii cristaline, metalele cu structur CFC avnd caracteristicile de plasticitate i tenacitate cele mai bune (valori mari ale alungirii procentuale dup rupere A, coeficientului de gtuire Z i energiei de rupere KV sau KU i valori foarte sczute ale temperaturii de tranziie ductil - fragil ttr), metalele cu structur HC prezentnd plasticitate sczut (valori mici ale caracteristicilor A i Z) i tendin accentuat spre comportarea fragil la rupere (valori sczute ale KV sau KU i valori ridicate ale caracteristicii ttr), iar metalele cu structur CVC avnd proprieti intermediare; * soluile solide de substituie au, ca i metalele pure, plasticitate i tenacitate ridicate i rezisten mecanic i duritate relativ sczute, plasticitatea i tenacitatea acestor faze fiind mai sczute, iar rezistena mecanic i duritatea fiind mai ridicate dect ale componentului de baz (solventului) din aliaj, aa cum se poate observa n figura 3.27 (figura 3.27 prezint variaia unei caracteristici de rezisten mecanic - rezistena la traciune Rm - i unei caracteristici de plasticitate - alungirea procentual dup rupere A - n funcie de compoziia chimic, pentru aliajele unui sistem binar avnd componentele complet solubile n stare solid); proprietile mecanice ale soluiilor solide de substituie depind i de tipul structurii lor cristaline, n acelai mod ca n cazul metalelor pure; * soluiile solide interstiiale au proprieti mecanice asemntoare cu ale soluiilor solide de substituie, aceste proprieti depinznd de tipul structurii cristaline a componentului de baz (solventului metalic) n acelai mod ca n cazul metalelor pure i de natura i cantitatea componentului dizolvat interstiial, care produce deformarea (distorsionarea) structurii cristaline a componentului de baz i determin cretera rezistenei mecanice i duritii i micorarea plasticitii i tenacitii soluiei solide; * compuii intermetalici se caracterizeaz (n general) prin rezisten mecanic i duritate ridicate, plasticitate sczut i tendin accentuat ctre comportarea fragil la rupere. Independent de tipul fazei care le alctuiete structura, materialele metalice cu structur monofazic au proprietile mecanice influenate i de dimensiunile cristalelor; pentru orice material metalic cu structur monofazic, creterea dimensiunilor cristalelor care i alctuiesc structura (creterea granulaiei) determin micorarea plasticitii i tenacitii i accentuarea tendinei ctre comportarea fragil la rupere, n timp ce micorarea dimensiunilor cristalelor (finisarea granulaiei) conduce la creterea rezistenei mecanice, plasticitii i tenacitii. B. n cazul materialelor metalice cu structura alctuit din dou sau mai multe faze, proprietile mecanice depind n principal de proprietile141


fazelor existente n structur i de raportul cantitativ, forma, modul de distribuie i gradul de dispersie al cristalelor acestor faze. n cazul aliajelor bifazice aparinnd sistemelor binare, pentru estimarea valorilor caracteristicilor care exprim cantitativ proprietile mecanice, se folosete legea lui Kurnacov: modificarea compoziiei chimice a aliajelor bifazice aparinnd aceluiai sistem binar determin o variaie liniar a caracteristicilor mecanice ale aliajelor, ntre valorile corespunztoare caracteristicilor celor dou faze care le alctuiesc structura. Aplicnd aceast lege se obin diagrame de tipul celor prezentate n figura 3.28, cu ajutorul crora se pot estima (se pot aprecia cu o precizie acceptabil) caracteristicile mecanice ale oricrui aliaj aparinnd unui sistem binar.

Fig. 3.28. Dependenele ntre structur i proprietile mecanice la aliajele binare

Influena formei, modului de distribuie i gradului de dispersie a fazelor se manifest mai ales n cazul aliajelor bifazice (multifazice) la care fazele ce alctuiesc structura au proprieti mecanice mult diferite, cum ar fi, de exemplu, cazul aliajelor cu structura format dintr-o faz secundar dur i fragil, distribuit ntr-o matrice (faz de baz) moale i tenace (caz corespunztor structurii multor aliaje industriale: oeluri, aliaje pe baz de Al etc.). Dac faza secundar este distribuit sub form de reea la limitele (marginile) cristalelor matricei sau este dispersat n matrice sub form de cristale aciculare, aliajele prezint rezisten i duritate ridicate, dar plasticitatea i tenacitatea lor este sczut; dac faza secundar se afl ns n structur sub form de cristale globulare fine, uniform distribuite n matricea structural a aliajului se obine cea mai favorabil combinaie a proprietilor mecanice (valori ridicate att ale caracteristicilor de rezisten mecanic i duritate, ct i ale caracteristicilor de plasticitate i tenacitate).142


Cuvinte cheiealungire procentual dup rupere, 118 benzi de alunecare, 112 capacitate de deformare elastic, 118 capacitate de deformare plastic, 118 caracteristici mecanice, 109 ciclu de solicitare, 133 ciocan - pendul Charpy, 126 coeficient de concentrare a tensiunilor, 124 coeficient de gtuire (striciune), 118 concentrator de tensiuni, 123 criteriu de durabilitate limitat, 135 criteriu de limitare a tensiunilor, 135 curb caracteristic convenional la traciune, 116 curb de durabilitate la oboseal, 134 curb de fluaj, 130 deformare plastic la cald, 122 deformare plastic la rece, 122 deformare plastic prin alunecare, 111 deformaii, liniare, unghiulare, 108 deformaii specifice, liniare, unghiulare, 108 diagram de recristalizare, 120 diagrama ncercrii la traciune, 116 direcii de alunecare, 112 duritate, 136 duritate Brinell, 136 duritate rockwell, 139 duritate Vickers, 137 ecruisare, 113 elasticitate, 109 energie de rupere, 127 epruvete, 115 fluaj, 130 fluaj primar (nestabilizat), 130 fluaj secundar (stabilizat), 131 fluaj teriar (accelerat), 131 fore interioare (eforturi0, 107 grad critic de deformare, 121 grad de deformare, 120 grad de solicitare, 137 ncrcri mecanice (fore exterioare), 107 ncercarea la ncovoiere prin oc, 126 ncercarea la traciune, 114 ncercri mecanice, 108 legea lui Hooke, 109 legea lui Kurnahov, 142 limit de alungire remanent, 117 limit de curgere, aparent, convenional, 117 limit tehnic de fluaj, 132 linii de alunecare, 112 modul de elasticitate, longitudinal, transversal, 110 oboseal, 133 plan de alunecare, 112 platicitate, 111 poligoniozare, 119 proprieti mecanice, 108 recristalizare primar, 119 recristalizare secundar, 121 restaurare, 119 rezilien, 127 rezisten la oboseal, 134 rezisten la rupere prin clivaj, 110 rezisten la traciune (la rupere), 117 rezisten tehnic de durat, 132 rezisten teoretic, 110 rupere, ductil, fragil, 122 rupere prin fluaj, 130 rupere prin oboseal, 133 sistem de alunecare, 112 solicitare variabil, 133, 134 stare de tensiuni mecanice, 107 structur fibroas, 114 temperatur de recristalizare primar, 120 temperatur de tranziie ductil - fragil, 128 tensiune mecanic, normal, tangenial, 108 textur de deformare, 114 vitez de fluaj, 130

143


Bibliografie1. Cioclov D., Mecanica ruperii materialelor, Editura Academiei R.S.R., Bucureti, 1977. 2. Dieter E.G. jr., Metalurgie mecanic, Traducere din limba englez, Editura Tehnic, Bucureti,1970. 3. Flinn A. R., Trojan K. P., Engineering materials and their applications, Houghton Mifflin Company, Dallas Geneva, Illinois, 1986. 4. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, Vol. III, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1983. 5. Geru N., Teoria structural a proprietilor metalelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1980. 6. * * * Manualul inginerului HTTE . Fundamente, Traducere din limba german dup ediia a 29-a, Editura Tehnic, Bucureti, 1995. 7. * * * Mic enciclopedie matematic, Traducere din limba german, Editura Tehnic, Bucureti, 1981. 8. Mocanu D.R., Safta V. ( coordonatori), Incercarea materialelor. Incercri distructive ale metalelor, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti, 1986. 9. Rosenthal D., Asimow R.M., Introdution to properties of materials, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1971. 10. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers, Macmillan Publishing Company, New York, 1991. 11. Rumiski L.Z., Prelucrarea matematic a datelor experimentale. Indrumar, Traducere din limba rus, Editura Tehnic, Bucureti,1974. 12. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989.

Teste de autoevaluareT.3.1. Proprietatea unui material de a se deforma sub aciunea solicitrilor mecanice i de a reveni la forma iniial cnd solicitrile i nceteaz aciunea este denumit: a) plasticitate; b) elasticitate; c) duritate; d) tenacitate? T.3.2. Proprietatea unui material de a se deforma sub aciunea solicitrilor mecanice i de a-i menine configuraia obinut prin deformare cnd solicitrile i-au ncetat aciunea este denumit: a) plasticitate; b) elasticitate; c) duritate; d) tenacitate? T.3.3. Deformarea plastic a cristalelor reale (cu imperfeciuni) care144


alctuiesc structura pieselor metalice se realizeaz prin: a) alunecarea unor zone ale cristalelor de-a lungul unor plane cristalografice numite plane de alunecare, sub aciunea tensiunilor tangeniale , generate de solicitrile mecanice aplicate; b) alunecarea unor zone ale cristalelor de-a lungul unor plane cristalografice numite plane de alunecare, sub aciunea tensiunilor normale , generate de solicitrile mecanice aplicate; c) modificarea distanelor interatomice i schimbarea parametrilor structurii cristaline; d) alunecarea, cu deplasarea relativ simultan, cu un numr ntreg de distane interatomice, a tuturor atomilor din zonele adiacente unuia sau mai multor plane de alunecare? T.3.4. Care dintre urmtoarele combinaii de plane i direcii cristalografice corespund unor sisteme de alunecare: a) planul (111) i direcia [ 1 01] n cristalele cu structur CFC; b) planul (101) i direcia [ 1 11] n cristalele cu structur CVC; c) planul (101) i direcia [111] n cristalele cu structur CVC; d) planul (111) i direcia [0 1 1] n cristalele cu structur CFC? T.3.5. Care din urmtoarele afirmaii privind deformarea materialelor metalice sunt adevrate: a) n cazul oricrui material metalic deformat elastic este valabil legea lui Hooke; b) n cazul oricrui material metalic deformat plastic exist o dependen liniar ntre tensiunile generate de solicitrile mecanice i deformaiile specifice produse; c) deformarea plastic determin ecruisarea materialelor metalice; d) materialele metalice deformate plastic la rece capt o structur fibroas? T.3.6. Care din urmtoarele afirmaii privind capacitatea de deformare a materialelor metalice sunt adevrate: a) capacitatea de deformare elastic a unui material metalic este direct proporional cu ptratul modulului su de elasticitate longitudinal i invers proporional cu limita sa de curgere; b) capacitatea de deformare plastic a unui material metalic este direct proporional cu limita de curgere i cu alungirea procentual dup rupere; c) capacitatea de deformare plastic a unui material metalic este direct proporional cu rezistena sa la traciune i cu modulul su de elasticitate longitudinal; d) capacitatea de deformare elastic a unui material metalic este direct proporional cu ptratul limitei sale de curgere i invers proporional cu modulul su de elasticitate longitudinal ? T.3.7. Gradul critic de deformare plastic a unui material metalic reprezint: a) gradul de deformare cruia i corespunde structura de recristalizare primar cu dimensiunile maxime ale cristalelor i cu plasticitatea (tenacitatea) minim; b) gradul de deformare la care se produce fisurarea materialului; c) gradul de deformare la care energia necesar deformrii este maxim; d) gradul de deformare la care nu se produce ecruisarea materialului? T.3.8. Care din urmtoarele fenomene se pot produce la nclzirea unui145


material metalic ecruisat prin deformare plastic: a) restaurarea; b) recristalizarea primar; c) cristalizarea primar; d) recristalizarea secundar? T.3.9. Deformarea plastic realizat la o temperatur Tdp > Trp este denumit: a) deformare plastic la rece; b) deformare plastic fr fisurare; c) deformare plastic la cald; d) deformare plastic fr ecruisare? T.3.10. Care din urmtoarele relaii permite estimarea valorii temperaturii de recristalizare primar a materialelor metalice: a) Trp 0,4Ts; b) Trp 0,4ts; c) trp 0,4ts 163,8 oC; d) Trp 0,1Ts? T.3.11. Care din urmtoarele caracteristici corespund ruperilor fragile ale materialelor metalice: a) se produc prin clivaj (smulgere); b) au aspect fibros; c) sunt precedate de deformaii plastice apreciabile; d) se produc cu viteze foarte mari? T.3.12. Care din urmtoarele caracteristici corespund ruperilor ductile (tenace) ale materialelor metalice: a) se produc prin forfecare; b) au aspect fibros; c) sunt precedate de deformaii plastice apreciabile; d) au, de obicei, propagare transcristalin? T.3.13. Care din urmtorii factori influeneaz comportarea la rupere a materialelor metalice solicitate mecanic: a) prezena concentratorilor de tensiuni; b) viteza de solicitare; c) temperatura materialului supus solicitrii mecanice; d) tipul structurii cristaline a materialului? T.3.14. Care din urmtoarele afirmaii privind comportarea la rupere a materialelor metalice sunt adevrate: a) comportarea ductil sau fragil la rupere este o caracteristic intrinsec a oricrui material metalic; b) un material metalic aflat la o temperatur t < ttr va avea comportare fragil la rupere; c) ruperea fragil a materialelor metalice se produce lent (stabil) i este precedat de deformaii plastice apreciabile; d) prezena concentratorilor de tensiuni asigur o comportare ductil la rupere a materiale

Documents

45977989 Materiale Metalice Propr Mecanice