Pag. 1

CURS 5 - Deformarea si ruperea

materialelor metalice

5.1 Obiective In urma parcurgerii cursului studentul va putea:

Sa cunoasca tipurile de deformatii care apar in cazul solicitariilor

aplicate corpurilor metalice; Sa cunoasca principalele mecanisme care produc deformatia

plastica; Sa caracterizeze si sa interpreteze ruperea materialelor metalice.

5.2 Starea plastică şi fragilă. Planele cu densitate atomică maximă

Toate corpurile solide au proprietatea de a se deforma sub acţiunea unor forţe exterioare şi a altor factori cum ar fi: temperatura,

acţiunea îndelungată a timpului. Diferite materiale supuse deformării se comportă diferit în funcţie de mărimea forţelor care acţionează, precum

şi de condiţiile în care are loc deformarea. După caracterul deformării se disting următoarele tipuri de deformaţii:

deformaţii elastice εe;

deformaţii remanente εr;

deformaţii anelastice.

Tipuri de deformaţii

Deformaţia unui corp solid se compune în general dintr-o

deformaţie de tip elastic şi una de tip remanent. Starea unui corp în care deformaţiile remanente au valori mari

(în comparaţie cu cele elastice) fără o slăbire a legăturilor dintre particule se numeşte stare plastică.

Starea unui corp în care, dimpotrivă, deformaţiile remanente sunt mici înainte de producerea ruperii, se numeşte stare fragilă

(casantă).

Pag. 2

Fragilitatea nu este o proprietate absolută a unui metal sau aliaj, fiind corelată cu temperatura şi presiunea ei. Un metal, care la

temperatura normală este plastic la solicitarea de întindere fără concentratori, poate să devină fragil în prezenţa concentratorilor, sau

atunci când sarcina este aplicată cu viteze mari. De asemenea, el îşi pierde plasticitatea sub acţiunea unor agenţi de fragilizare cum

ar fi: hidrogenul şi temperaturile joase.

Întrucât procesul de cristalizare, la solidificarea aliajelor, se produce concomitent într-un număr foarte mare de centre

de cristalizare, după solidificare structura va fi constituită dintr-un număr mare de grăunţi care formează structura policristalină.

Corpurile policristaline au anumite proprietăţi, spre deosebire de cele amorfe, cum ar fi:

sunt anizotrope, adică au proprietăţi diferite în funcţie de direcţia pe care acestea se determină;

elementele lor pot aluneca unele peste altele, adică prezintă suprafeţe de alunecare, atunci când sunt supuse corespunzător la

acţiunea unor forţe de deformare.

5.3 Deformarea plastică a monocristalelor ideale

Deformarea plastică se realizează prin deplasarea

relativă a atomilor în poziţii noi de echilibru stabil. Principalele

mecanisme prin care se produce deformarea plastică sunt

Alunecare

Maclarea Alunecarea dislocatiilor

Alunecarea consta in deplasarea pe pachete de atomi de-a lungul

unor plane cristaline, numite plane de alunecare. Experienţele

efectuate pe monocristale au dovedit că planele de alunecare sunt

planele de densitate maximă de atomi, iar în aceste plane există direcţii de alunecare, după care atomii sunt aşezaţi cel mai dens.

Planele şi direcţiile de alunecare formează sistemele de alunecare, care sunt caracteristice pentru fiecare sistem cristalin.

Alunecarea se produce atunci când tensiunea tangenţială are o valoare critică, iar atomii se vor deplasa în lungul planului de alunecare.

Alunecarea nu se produce pe un singur plan de alunecare, ci cuprinde o grupă de straturi atomice vecine, care formează benzi de alunecare.

Pag. 3

Alunecarea pachetelor de atomi Benzi de alunecare

Maclarea, reprezintă deplasarea unei porţiuni din cristal în lungul

unui plan, denumit plan de maclare, obţinându-se două părţi simetrice faţă de acest plan. La presarea la rece, deformarea prin

maclare se produce mai ales la metalele ce cristalizează în sistemul C.V.C şi hexagon compact.

Maclarea unor porţiuni din cristal

În sistemul C.F.C deformarea prin maclare are loc foarte greu.

Porţiunea deplasată poartă numele de maclă. Spre deosebire de alunecare, la maclare participă toate planele atomice din regiunea

maclată. Rolul maclării în procesul de deformare plastică constă în

faptul că prin maclare se schimbă orientarea unor părţi de grăunţi, ceea ce face ca noi sisteme de alunecare să ajungă în poziţii favorabile

faţă de direcţia solicitării. Deci, maclarea, în multe cazuri, însoţeşte alunecarea şi o favorizează.

Alunecarea dislocaţiilor. La început, noţiunea de dislocaţie

s-a introdus pentru a putea explica diferenţa ce s-a constatat între

valoarea teoretică a efortului unitar de alunecare şi valoarea obţinută

experimental. Valoarea scăzută a limitei de curgere a cristalelor în stare turnată sau recoaptă a dus la concluzia că trebuie să existe surse

de dislocaţii în acestea. Trebuie accentuat faptul că mişcarea dislocaţiilor prin alunecare se face fără transport de materie, atomii

se rearanjează local din aproape în aproape.

Pag. 4

Mişcarea prin alunecare a dislocaţiilor

Mişcarea dislocaţiilor marginale prin căţărare explică procesul

de poligonizare (alinierea dislocaţiilor formând limite la unghiuri mici). Mişcarea prin căţărare apare şi în timpul fluajului, dacă temperatura este

ridicată. La temperaturi joase însă, alunecarea este singurul mecanism responsabil pentru deformarea plastică.

Procesul de poligonizare a dislocaţiilor

5.4 Deformarea plastică a agregatelor policristaline

Deformarea plastică a corpurilor policristaline se compune din:

Deformarea plastică a grăunţilor cristalini (schimbarea formei şi a dimensiunilor acestora), adică deformarea intracristalină a

policristalului; Deplasarea relativă a grăunţilor, denumită şi deformare

intercristalină a policristalului. Principalul mecanism de deformare rămâne şi în cazul

policristalelor, alunecarea. Într-un agregat policristalin, alunecarea este blocată la limitele grăunţilor care posedă orientări diferite. Limitele

grăunţilor pot servi fie la creşterea rezistenţei mecanice, fie chiar la

Pag. 5

scăderea acesteia, în funcţie de temperatură, de viteza de deformare şi degradul de puritate. Astfel, la temperaturi sub 0,5 Tt (temperatura

de topire în 0K) şi la viteze de deformare relativ ridicate, limitele

grăunţilor măresc rezistenţa, în timp ce la temperaturi înalte şi la

viteze mici de deformare (fluajul), deformarea se localizează chiar la limita grăunţilor. Creşterea rezistenţei la agregatele policristaline se

consideră că se datorează în primul rând faptului că limitele grăunţilor reprezintă bariere pentru alunecări, precum şi faptului de

importanţă hotărâtoare că în acest caz cerinţele de continuitate între grăunţi la deformare, introduc moduri complexe de comportare în

interiorul fiecărui grăunte. Cu ajutorul microscopiei electronice s-a putut observa că dislocaţiile se concentrează în lungul planelor de

alunecare la limitele grăunţilor. Aceste grupări (aglomerări) de dislocaţii produc contratensiuni care se opun generării unor noi

dislocaţii de către sursele Frank-Read în interiorul grăunţilor. Datorită orientării diferite a planelor de alunecare, în grăunţii

corpului policristalin (grăunţi cu orientare arbitrară în spaţiu), la

solicitarea acestuia cu un sistem de forţe exterioare, deformarea plastică nu va începe concomitent în toţi grăunţii, ci în primul rând

în cei cu orientarea cea mai favorabilă a planelor de alunecare, faţă de direcţia forţelor exterioare, restul grăunţilor se vor deforma

elastic. În cazul întinderii şi compresiunii liniare, orientarea cea mai favorabilă pentru începerea deformării plastice o au grăunţii pentru

care diferenţa: (45o-ϕ

0) are valoarea cea mai mică. Efortul unitar

normal la întindere sau compresiune monoaxială, care corespunde

momentului când marea majoritate a grăunţilor materialului metalic se

deformează plastic, reprezintă limita de curgere. La deformarea plastică a materialelor metalice policristaline se produce şi o orientare

a grăunţilor, deci se formează textura . Textura contribuie la accentuarea anizotropiei proprietăţilor materialului deformat.

O caracteristică importantă a deformării plastice o constituie faptul că, deformarea la rece odată începută nu continuă la aceeaşi

valoare a tensiunii. Pentru a continua deformarea este necesară creşterea continuă a acesteia .

Pag. 6

Orientarea grăunţilor materialelor metalice policristaline

(formarea texturii)

Cu cât s-a format un număr mai mare de plane de

alunecare, adică cu cât deformaţia plastică a fost mai mare, cu atât va fi mai mare rezistenţa pe care o opune metalul la acţiunea

forţelor exterioare. Deci, deformarea plastică efectuată măreşte

rezistenţa la o următoare deformare plastică, mărind limita de elasticitate, limita de curgere (Rp, σ 0,2), rezistenţa la rupere

(Rm, σ t) şi duritatea (HV, HB). În acelaşi timp se micşorează

plasticitatea metalului (alungirea – A5, gâtuirea - Z),rezistenţa la

coroziune, conductibilitatea termică. Această stare a metalului cu proprietăţi modificate în urma

deformării plastice se numeşte stare de ecruisare. Densitatea dislocaţiilor creşte la creşterea gradului de

deformare. Ecruisarea este determinată de frânarea mişcării dislocaţiilor de către piedici sau bariere care apar chiar în timpul

procesului de deformare plastică. În metalul ecruisat se observă fragmentarea grăunţilor

cristalini, orientarea lor după direcţia solicitării şi alungirea lor. Această stare de ecruisare este instabilă din punct de vedere termodinamic. Ea

se poate menţine totuşi timp îndelungat la temperaturi normale şi este

de dorit la acele piese care cer proprietăţi de rezistenţă mecanică şi care nu mai urmează să fie deformate plastic.

Starea de ecruisare, instabilă din punct de vedere termodinamic, se poate reduce odată cu creşterea temperaturii. În

aceste condiţii are loc trecerea către o stare mai stabilă, o stare neecruisată. Acest proces prin care se realizează, la încălzire,

transformarea din starea ecruisată într-o stare neecruisată, poartă numele de recristalizare. În general, procesul de recristalizare se

poate împărţi în trei etape: restaurarea reţelei ;

recristalizarea (germinarea);

Pag. 7

creşterea grăunţilor.

Procesul de recristalizare

Recristalizarea este procesul prin care se realizează obţinerea unei structuri noi, cu grăunţi nedeformaţi, în locul structurii deformate

plastic la rece sau la cald.

5.5 Ruperea materialelor metalice Clasificarea tipurilor de ruperi

Prin rupere se înţelege fenomenul de fragmentare a unui corp solid în două sau mai multe părţi, sub acţiunea unor tensiuni

interne sau externe.

Ruperile se pot clasifica după următoarele criterii: modul cristalografic de rupere (după tensiunea care produce de

obicei ruperea); aspectul ruperii ;

deformaţia plastică care precede ruperea. Referitor la primul criteriu, se ştie că deşi solicitările

care pot acţiona asupra unei piese sunt diferite: de tracţiune, de compresiune, de forfecare, de încovoiere, ele dau naştere totdeauna în

piesă numai la tensiuni normale (de tracţiune sau de compresiune) şi la tensiuni tangenţiale.

Ruperea produsă de tensiunile normale se numeşte rupere prin smulgere sau rupere prin clivaj. Modul de rupere în acest caz

este controlat de tensiunile de întindere care acţionează normal pe un plan cristalografic de clivaj. Ruperea prin smulgere se poate produce fie

prin interiorul cristalelor (transcristalin), fie printre cristale la limita

grăunţilor cristalini (intercristalin).

Pag. 8

Ruperea prin smulgere:

a) Ruperea transcristalină; b) Ruperea intercristalină.

Ruperea produsă de tensiunile tangenţiale se numeşte rupere prin forfecare sau rupere prin alunecare. Ruperea apare în acest

caz ca rezultat al unei deplasări importante în planul activ de alunecare.

Ruperea prin alunecare se produce numai transcristalin. După al doilea criteriu, aspectul ruperii, în urma examinării la

grade mici de mărire a secţiunii în care s-a produs ruperea, ruperile pot fi: cristalin strălucitoare (granulare) şi ruperi mat - fibroase.

În raport de deformaţia plastică care produce ruperea, ruperile se împart în ruperi ductile şi ruperi fragile.

Ruperea ductilă este produsă de tensiunile tangenţiale (se mai numeşte şi rupere prin forfecare) şi este precedată de deformaţii

plastice mari, aspectul suprafeţei de rupere fiind mat-fibros. Ruperea ductilă se produce transcristalin şi are o viteză de propagare relativ

lentă. Ruperea fragilă se produce după un plan normal la

direcţia tensiunii, cu o mare viteză de propagare şi fără a fi precedată de deformaţii plastice macroscopice. Aceste caracteristici fac

ca ruperea fragilă să constituie un fenomen deosebit de periculos

structurilor metalice. La materialele policristaline ruperea fragilă se poate produce fie transcristalin fie intercristalin. Aspectul suprafeţei de

rupere este cristalin strălucitor la ruperea transcristalină, respectiv de culoarea fazelor la ruperea intercristalină. În figura urmatoare.

se prezintă schematic câteva tipuri de rupere, în cazul solicitării la tracţiune a unor epruvete metalice. Cunoaşterea mecanismului iniţiere

şi desfăşurare a ruperii fragile prezintă o importanţă deosebită, deoarece producerea ei care este neprevăzută şi poate avea consecinţe

extrem de dezastruoase. Mecanismul producerii ruperii fragile, în general, comportă corespunzător două faze distincte de maximă

importanţă în tehnică: iniţierea fisurilor ;

propagarea fisurilor. În cazul ruperilor fragile, apariţia fisurilor se încearcă a fi

explicată, în lumina teoriei dislocaţiilor, prin mai multe mecanisme:

concentrarea dislocaţiilor la obstacole ; reacţiile între dislocaţii la intersecţia benzilor de alunecare ;

Pag. 9

aglomerarea dislocaţiilor în procesul de maclare etc.

Tipuri de ruperi în cazul solicitării la tracţiune: a) ruperea prin smulgere fragilă; b) rupere prin forfecare (ductilă);

c) rupere prin forfecare a materialelor cu ductibilitate moderată; d) rupere con-cupă.

Un material dat se poate rupe fie fragil fie ductil în raport de următorii factori:

starea de tensiune; structura materialului;

condiţiile de încercare (în special temperatura la care se realizează încercarea);

dimensiunile şi forma piesei.

În lumina teoriei formării şi propagării fisurilor, rolul acestor factori, în determinarea tipului fragil sau ductil de rupere, este

definit de influenţa pe care o manifestă fiecare dintre ei asupra deplasării dislocaţiilor. Factorii care se opun deplasării dislocaţiilor

facilitează ruperea fragilă, iar factorii care produc relaxarea tensiunilor, favorizează producerea ruperii pe cale ductilă. Astfel pentru un metal

dat, starea de tensiune triaxială, mărimea însemnată a grăuntelui şi prezenţa incluziunilor favorizează ruperea fragilă, în timp ce ridicarea

temperaturii la care se produce încercarea sau micşorarea vitezei de aplicare a sarcinii înlesneşte ruperea ductilă.

Ruperea prin CORFIS (fisură corozivă)

Ca efect al unei solicitări mecanice, asociate cu acţiunea unui mediu, corosiv, o fisură se poate propaga (extinde) lent. Când

fisura respectivă, propagându-se, ajunge la o altă dimensiune (lungime), denumită critică, survine intempestiv ruperea bruscă,

brutală, cu caracter fragil.

Cedarea prin CORFIS parcurge următoarele stadii: stadiul 1 formarea de amorse, de tipul unor uşoare punctări

prin înţepare, la suprafaţa metalului ca efect direct şi inevitabil al coroziunii neuniforme;

Pag. 10

stadiul 2 amorsa devine o fisură ale cărei dimensiuni continuă să se extindă lent din punct de vedere macroscopic;

stadiul 3 ruperea, când fisura, extinzându-se, atinge o anumitădimensiune (lungime), suficient de mare care poartă

numele lungime critică .

Stadiile fracturării corozive:

a) formarea amorsei - (stadiul 1);b) fisurarea, respectiv extinderea fisurii -(stadiul2);c) ruperea, respectiv fracturarea propriu-zisă -

(stadiul 3).

Ruperea la oboseală

Ruperile care apar în urma aplicării unor sarcini variabile şi

repetate în timp se numesc ruperi la oboseală şi se manifestă prin unele caracteristici care le deosebesc de ruperile determinate prin

aplicarea unor sarcini constante. Ruperile la oboseală se produc, în general, la tensiuni mult mai mici decât cele necesare pentru a produce

ruperea în condiţii statice şi sunt foarte periculoase deoarece nu sunt precedate de modificări vizibile ale aspectului sau dimensiunilor pieselor

respective. Ruperea la oboseală a materialelor metalice este iniţiată

de existenţa unor concentratori de tensiune geometrici sau metalurgici (variaţii bruşte ale dimensiunilor; unghiuri ascuţite

interioare; găuri; incluziuni nemetalice; microfisuri; microretasuri) care, sub acţiunea sarcinilor variabile şi repetabile în timp, determină o

ecruisare crescândă a zonelor respective în urma căreia materialul nu se mai poate deforma plastic şi se fisurează. Fisurarea are loc, de

regulă, la suprafaţa pieselor unde sunt localizaţi de cele mai multe ori şi

concentratorii de tensiune. Fisura astfel apărută se dezvoltă treptat sub acţiunea repetată a sarcinilor variabile, iar în momentul în care

secţiunea efectiv rămasă nu mai rezistă solicitărilor, intervine ruperea bruscă a acesteia.

Ca urmare a acestui proces, o rupere prin oboseală poate fi uşor recunoscută prin existenţa a două zone distincte: o zonă lucioasă,

relativ netedă, dar care evidenţiază prin aspectul său formarea şi

Pag. 11

avansarea în timp a fisurii incipiente şi o zonă mată, cu asperităţi corespunzătoare

ruperii finale, instantanee.

Rezistenţa la oboseală se defineşte ca reprezentând tensiunea

alternantă sau oscilantă care produce corespunzător ruperea unei epruvete după un număr de alternanţe extrem de mare. Numărul de

alternanţe se stabileşte convenţional şi este în mod obişnuit:

107

pentru oţeluri, respectiv 108

pentru aliajele neferoase. Rezistenţa la oboseală scade cu creşterea dimensiunilor piesei şi a rezistenţei la

întindere a materialului.

Fluajul

Dacă la temperatura normală proprietăţile de rezistenţă ale

materialelor metalice nu sunt practic dependente de timp, la temperaturi înalte însă, aceste proprietăţi pot suferi modificări

considerabile. Astfel, la temperaturi înalte, un material metalic se poate deforma sub acţiunea unor sarcini mult mai mici decât limita de curgere

şi, dacă această sarcină se menţine constantă, deformarea va avea un caracter continuu, permanent.

Deformarea lentă, progresivă în timp şi continuă a unui material sub acţiunea unei sarcini constante se numeşte fluaj.

Principalele mecanisme microscopice responsabile de producerea fluajului sunt:

alunecarea dislocaţiilor (la temperaturi mici); căţărarea dislocaţiilor: limitează acţiunea de blocare a

dislocaţiilor exercitată de fazele precipitate pe planul de alunecare a defectelor liniare;

alunecarea limitelor de grăunţi;

difuzia atomilor şi a vacanţelor.

Activitati:

Incercati sa identificati diferite materiale metalice prezentand ruperii si sa le asociati cu cele prezentate in prezentul curs.

Bibliografie:

1. Mutiu T.A. - Studiul metalelor, Editura I.C.P.A.I.U.C., Bucuresti, 1985;

2. Schwartz H. - Elementa practice de metalurgie fizica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1956;

3. Schumann H. - Metalurgie fizica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1955;

Teste:

1. Din ce se compune in general deformatia unui corp solid?

Pag. 12

a) Deformatii elastice sim plastice; b) Deformatii statice si plastice;

c) Deformatii remanente si elastice 2. Cum se numeste starea unui corp în care, dimpotrivă, deformaţiile

remanente sunt mici înainte de producerea ruperii?

a) Stare elastica;

b) Stare fragila;

c) Stare plastica.

3. Cum este definita deplasarea pe pachete de atomi de-a lungul unor plane cristaline, numite plane de alunecare?

a) Maclare; b) Alunecare;

c) Torsionare. 4. De ce este produsa ruperea ductila?

a) Tensiuni tangentiale; b) Tensiuni normale;

c) Tensiuni critice. 5. Cum sunt denumite ruperile care apar în urma aplicării unor

sarcini variabile şi repetate în timp? a) Fisura coroziva;

b) Ruperea la oboseala;

c) Ruperea critica. 6. Cum este numita deformarea lentă, progresivă în timp şi continuă

a unui material sub acţiunea unei sarcini constante? a) Rupere fragila;

b) Rupere ductila; c) Fluaj

Grila de evaluare

1. a

2. b 3. b

4. a 5. b

6. c