2. DEFORMAREA PLASTICĂ ŞI RUPEREA

MATERIALELOR METALICE

2.1. Imperfecţiuni (defecte) în structura materialelor metalice

2.1.1. Cristale ideale şi cristale reale

Noţiunile de reţea cristalină şi cristal prezentate în capitolul precedent

considerau că structura cristalelor este perfectă şi că atomii din edificiul cristalin

nu prezintă nici un fel de abatere de la o distribuţie ordonată, ideală.

În realitate, cristalele metalice prezintă însă numeroase abateri de la

distribuţia ordonată, ideală, a atomilor reţelei cristaline, fapt ce explică, de

exemplu, de ce un cristal real (cristal perfect), are o rezistenţă la rupere de

100…1000 de ori mai mică decât cea calculată pe baza forţelor de coeziune

dintre atomii unui cristal ideal, perfect.

Aceste diferenţe au impus acceptarea teoriei conform căreia, în realitate,

cristalele prezintă diferite abateri de la distribuţia ordonată a atomilor reţelei

cristaline. Astfel de abateri se numesc imperfecţiuni sau defecte de reţea iar

cristalele respective se numesc cristale reale.

Explicarea diferenţelor de rezistenţă menţionate, pe baza imperfecţiunilor

de reţea, a fost confirmată şi experimental. In afara tehnicilor care au permis

punerea în evidenţă a acestor imperfecţiuni de reţea, experimentele de laborator

efectuate pe monocristale filiforme (cristale unice, cu diametrul de câţiva mm. şi

lungimi de câţiva mm., numite şi whiskers - mustăţi) au relevat rezistenţe foarte

mari (apropiate de rezistenţa calculată pe baza coeziunii atomice), rezistenţa

ridicată a acestora fiind astfel determinată de lipsa imperfecţiunilor de reţea.

Pe lângă imperfecţiunile de reţea, în cristalele reale pot exista şi alte tipuri

de imperfecţiuni ca oscilaţiile termice ale atomilor (ionilor) reţelei cristaline sau

imperfecţiunile electronice la scară subatomică.

Deoarece imperfecţiunile de reţea prezintă o importanţă deosebită pentru

studiul proprietăţilor metalelor şi aliajelor metalice, acestea vor fi prezentate mai

detaliat în cele ce urmează.

1

2.1.2. Defecte ale reţelei cristaline

Din punct de vedere pur geometric imperfecţiunile (defectele) de reţea ale

cristalelor reale se clasifica în trei categorii distincte:

imperfecţiuni punctiforme;

imperfecţiuni liniare;

imperfecţiuni de suprafaţă.

Defectele de reţea au un rol important în determinarea unora dintre

proprietăţile metalelor. Astfel, proprietăţile dependente de imperfecţiuni sunt

limita de curgere, rezistenţa la rupere, rezistenţa la fluaj, viteza de difuziune etc.;

iar proprietăţile independente de imperfecţiuni structurale sunt constantele

elastice, căldura specifică, densitatea, coeficientul de dilatare termică etc.

2.1.2.1. Defecte punctiforme

Defectele punctiforme principale din reţelele metalice sunt: vacanţele

(lacunele), atomii interstiţiali şi impurităţile.

● Vacanţele sau lacunele sunt locuri atomice ale unei reţele cristaline

care nu au fost ocupate de atomi (fig. 2.1 a).

● Atomii

interstiţiali sunt

atomii de aceeaşi

natură cu atomii

reţelei cristaline dar

care ocupă poziţii

interstiţiale în reţeaua

respectivă (fig. 2.1 b).

● Impurităţile

sunt atomi de altă natură (atomi străini), decât cei care alcătuiesc reţeaua

cristalină de bază şi care ocupă poziţii interstiţiale în reţea sau substituie atomii

metalului de bază (fig. 2.1 c).

Existenţa sau formarea defectelor punctiforme provoacă distorsionări ale

reţelei cristaline (şi ca urmare modificări energetice), ele constituind centre de

contracţie sau dilataţie locală a acesteia.

Defectele punctiforme se pot deplasa in reţeaua cristalină sub acţiunea

unei energii termice, de deformare etc., deplasarea având loc din aproape în

2

a. b. c.

Fig. 2.1 Imperfecţiuni punctiforme în reţelele cristaline ale metalelor:

a. - vacanţe; b. - atomi interstiţiali; c. - impurităţi

aproape. Difuziunea în metale de exemplu, implică deplasări ale unui mare

număr de defecte punctiforme în reţea.

În baza unor considerente de echilibru energetic s-a putut calcula că

numărul vacanţelor dintr-un atomgram de substanţă este de cca.1018 la

temperatura de 1.000K (la aproximativ 100.000 poziţii atomice se înregistrează

o vacanţă).

2.1.2.2. Defecte liniare

Imperfecţiunile (defectele) liniare prezintă o importanţă deosebită pentru

procesele de deformare plastică şi rupere a metalelor şi aliajelor metalice şi

reprezintă regiunea de perturbări, localizate ale reţelei, care separă zonele dintr-

un cristal în care s-a produs o alunecare de zonele în care aceasta nu s-a produs.

Defectele liniare sunt numite curent dislocaţii şi se deosebesc după tipuri

principale de astfel de defecte: dislocaţiile marginale (dislocaţii liniare) şi

dislocaţiile elicoidale.

2.1.2.2.1. Dislocaţii marginale

Dislocaţia marginală poate fi privită simplificat ca fiind o urmare a

existenţei unui semiplan atomic suplimentar într-un cristal ideal în care s-a

produs o alunecare parţială (fig. 2.2). Limita dintre zona din partea dreaptă a

cristalului în care s-a produs alunecarea şi zona din partea stângă a cristalului, în

care alunecarea nu s-a produs, este linia AB, numită linie de dislocaţie

marginală. Toate punctele din partea superioară suprafeţei ABCD au fost

deplasate, mărimea şi sensul deplasării fiind exprimate prin vectorul de

alunecare sau vectorul Burgers b al dislocaţiei şi care, pentru o dislocaţie

marginală pură prezentată în figura 2.2, este egal cu o distanţă

interatomică.

O caracteristică care defineşte dislocaţia marginală este aceea că vectorul

Burgers este întotdeauna perpendicular pe linia de dislocaţie AB.

Dislocaţiile marginale pozitive se consideră atunci când semiplanul

atomic suplimentar se găseşte deasupra planului de alunecare ABCD (notare

simbolică ), respectiv dislocaţiile marginale negative se consideră atunci când

semiplanul atomic suplimentar se găseşte sub planul de alunecare (notare

simbolică T ).

3

Planul atomic

suplimentar AEFB

determină o

deformare elastică a

reţelei cristaline şi

această deformare,

cuprinsă între zero

şi o distanţă

atomică, se resimte

pe o zonă de 5…10

distanţe interatomice astfel că prin dislocaţie se înţelege de fapt întreaga regiune

din jurul liniei AB (numită, pentru simplificare, dislocaţie), în care reţeaua este

deformată. Linia AB reprezintă astfel doar centrul dislocaţiei.

2.1.2.2.2. Dislocaţii elicoidale

Dislocaţia elicoidală, numită şi dislocaţie în şurub, este o dislocaţie la

care direcţia de

alunecare (vectorul

Burgers b), este

paralelă cu linia

dislocaţiei. În figura

2.3, se prezintă un

exemplu simplu de

dislocaţie elicoidală

obţinută prin

deplasarea în direcţia

de alunecare, a părţii

superioare a cristalului

situată la dreapta liniei de dislocaţie AB.

Linia AB separă astfel, pe planul de alunecare, partea de cristal care a

alunecat de partea care nu a alunecat. O astfel de dislocaţie se numeşte elicoidală

sau în şurub deoarece atomii din jurul ei sunt distribuiţi după forma spirei unui

şurub elicoidal: pornind din P pe un traseu în jurul liniei de dislocaţie AB, se

4

a. b.

Fig. 2.2 Reprezentarea schematică a: a. - dislocaţiei marginale;

b. - dispunerii atomilor într-un plan normal pe dislocaţie

a. b.

Fig. 2.3 Reprezentarea schematică a: a. - dislocaţiei elicoidale;

b. - dispunerii atomilor din apropierea planului de alunecare

ajunge în P' într-un plan atomic aflat în spatele celui corespunzător punctului P,

traseul urmat fiind elicoidal şi orientat spre dreapta (ruta DPAP’D’ ).

În figura 2.3 b se prezintă poziţia atomilor în jurul unei dislocaţii

elicoidale localizate într-o reţea cubică simplă. Planul figurii este paralel cu

planul de alunecare iar cercurile goale şi cele pline reprezintă atomii aflaţi

deasupra şi respectiv sub planul de alunecare ABCD.

2.1.2.3. Defecte de suprafaţă

Imperfecţiunile (defectele) de suprafaţă prezintă o mare varietate dar din

punct de vedere al influenţei asupra proprietăţilor mecanice sunt luate în

considerare, de regula, doar două tipuri: limitele şi sublimitele dintre grăunţi.

2.1.2.3.1. Limite

Limitele dintre grăunţii unui agregat policristalin reprezintă zona de

legătură între cristalite. Deoarece, în general, diferenţa de orientare cristalină

este mare de la un grăunte la altul, aceste limite se numesc şi limite la unghiuri

mari. Distribuţia atomilor la limitele cristalitelor poate fi considerată ca

aparţinând unuia din cele trei tipuri prezentate în figura 2.4, fără a se putea

preciza care dintre acestea corespunde realităţii. Independent însă de tipul luat în

considerare, limitele dintre grăunţi reprezintă zone cu energie mare datorită

neechilibrării forţelor interatomice şi aceasta are o serie de consecinţe practice:

sistemele policristaline tind să-şi micşoreze energia prin micşorarea suprafeţelor

limitelor cristaline (proces ce se realizează prin contopirea şi creşterea

grăunţilor), limitele dintre grăunţi constituie zona preferenţială de acumulare a

5

a. b. c.

Fig. 2.4 Limite intercristaline:a. - fără zonă de tranziţie între cristale; b. - cu zonă de tranziţie ordonată;

c. - cu zonă de distribuţie amorfă

impurităţilor, reacţiile chimice sunt mult mai energice la limitele grăunţilor

decât în interiorul acestora etc.

2.1.2.3.2. Sublimite

Sublimitele sunt defecte de suprafaţă care apar chiar în interiorul

grăuntelui cristalin. Astfel, s-a dovedit

experimental că reţeaua atomică a unui

grăunte cristalin prezintă abateri prin

formarea de mici blocuri spaţiale care fac

între ele unghiuri mici, de ordinul minutelor.

Aceste blocuri au dimensiuni de ordinul a

10-4 …10-6 cm, sublimitele fiind formate de

fapt dintr-o serie de dislocaţii marginale

aşezate una sub alta. Această structură

determinată de existenţa sublimitelor se

numeşte structură în mozaic (fig. 2.5).

O reţea de sublimite se poate obţine prin deformare plastică la rece (1…

10%) şi recoacere la temperaturi relativ scăzute pentru a nu avea 1oc procesul de

recristalizare. Prin deformare se

generează un mare număr de

dislocaţii marginale de acelaşi

semn care, la recoacere, se

aşează una sub alta pe planele

de alunecare formând o reţea

poligonală de sublimite sau

limite la unghiuri mici (fig.

2.6.). Acest proces de obţinere a sublimitelor prin deformare plastică la rece şi

recoacere ulterioară se numeşte poligonizare, după forma pe care o iau planele

de alunecare.

6

Fig. 2.5 Structură în mozaic

a. b.

Fig. 2.6 Producerea poligonizării prin aranjarea dislocaţiilor

2.2. Deformarea plastică a materialelor metalice

2.2.1. Tensiuni şi deformaţii

Aplicarea unor sarcini exterioare asupra unui corp determină deformarea

sau chiar ruperea acestuia. Deformarea poate să aibă un caracter nepermanent,

corpul revenind la structura şi forma iniţială după încetarea aplicării sarcinii sau

poate sa aibă un caracter permanent, deformarea menţinându-se şi după

îndepărtarea sarcinii exterioare. În primul caz avem o deformare elastică iar în

cel de-al doilea caz o deformare plastică. Pe lângă aceste două tipuri de

deformării trebuie să menţionăm însă şi deformare anelastică specifică unor

deformaţii provocate prin mărirea bruscă

a sarcinii : deformaţia rezultată iniţial nu

este în totalitate o deformaţie cu caracter

permanent deoarece o parte din aceasta

dispare treptat.

Prin acţiunea unor forţe

exterioare asupra unui corp se determină

în acesta stări de solicitare care pot fi

caracterizate prin natura şi mărimea

tensiunilor sau eforturilor unitare care

se opun acţiunii forţelor exterioare.

Astfel, într-o secţiune oarecare S a

unui corp de formă cilindrică asupra

căruia acţionează o forţă F (fig. 2.7), se

poate proceda la o descompunere a forţei

F în două componente, componenta Fσ

fiind normală la suprafaţa S, iar componenta F, tangenţială la suprafaţa S. Celor

două componente le corespund tensiunile normale şi respectiv tangenţiale:

σ = Fσ / S = (F / S) ∙ cos φ (2.1)

τ = Fτ / S = (F / S) ∙ sin φ (2.2)

care pot fi exprimate însă în funcţie de secţiunea circulară So:

σ = (F / S0) ∙ cos2 φ (2.3)

τ = (F / S0) ∙ sin φ ∙ cos φ (2.4)

7

Fig. 2.7 Descompunerea forţelor superioare pentru o secţiune oarecare

Rezultă astfel că tensiunile normale au valoarea maximă pe planul So

perpendicular la direcţia forţei F, iar tensiunile tangenţiale pe planul înclinat la

45° faţă de direcţia forţei. Corespunzător tensiunilor şi , deformaţiile unui

corp pot consta din lungiri (determinate de tensiunile normale ), din lunecări

sau deformaţii unghiulare (determinate de tensiunile tangenţiale ) sau din

combinaţii ale acestora.

În cazul lungirii, dacă se notează cu deformaţia specifică liniară ca

raportul între deformaţia liniară L şi lungimea iniţială Lo a probei:

= (L / L0) ∙ 100, [%] (2.5)

legătura între tensiune şi deformaţia specifică se poate scrie, în domeniul elastic,

potrivit legii lui Hooke, sub forma:

σ = E ∙ ε (2.6)

unde E este o constantă de proporţionalitate numită modul de elasticitate

longitudinal care caracterizează forţele de legătură dintre atomi (fiind o măsură

a forţei necesare pentru deformarea elastică a reţelei cristaline).

Odată cu lungimea, pe direcţiile transversale apare o contracţie. Raportul

dintre deformaţiile specifice transversale şi deformaţia specifică pe direcţia

longitudinală se notează cu şi se numeşte

coeficient de contracţie transversală sau

coeficientul lui Poisson. Astfel, pentru starea

de tensiune liniară se poate scrie :

εy = εz = – ν ∙ εx = – ν ∙ σx / E (2.7)

Deformaţia unghiulară se caracterizează

prin aşa-numita lunecare specifică , exprimată prin tangenta unghiului de lunecare

, cu care se modifică unghiul de 90o dintre trei puncte ale unui corp, sub efectul

tensiunii tangenţiale , (fig. 2.8):

tg (2.8.)

iar, pentru domeniul elastic se poate scrie următoarea relaţie de

proporţionalitate:

G (2.9.)

unde G este modulul de elasticitate transversal care se determina de obicei prin

încercări la răsucire.

Între cele trei constante E , G , există relaţia:

G = E / 2 ∙ (1 + ν) (2.10)

8

Fig. 2.8 Deformaţia unghiulară

Deoarece modulele de elasticitate sunt determinate în primul rând de

forţele interatomice din reţeaua cristalină, ele sunt foarte puţin influenţate de

factori structurali sau de compoziţia chimică .

Modulul de elasticitate scade însă valoric odată cu creşterea temperaturii.

Astfel, pentru oţel, modulul de elasticitate longitudinal E scade de la 21.000

daN/mm2 la temperatura ambiantă, la cca. 10.000 daN/mm2 la temperatura de

900oC.

2.2.2. Curba tensiune - deformaţie la tracţiune

Comportarea unui material la diverse solicitări este reflectată prin curba

tensiune-deformaţie care se determină pe baza încercărilor de laborator la

tracţiune, compresiune, răsucire, fluaj etc.

În cazul încercării la tracţiune, reprezentarea în coordonate rectangulare a

variaţiei tensiunii medii = F / S0 în funcţie de deformaţia specifică determină

curba caracteristică convenţională la tracţiune (fig. 2.9). Porţiunea liniară

iniţială OA a curbei caracteristice reprezintă zona de proporţionalitate între

tensiune şi deformaţie, zonă în care este respectata legea lui Hooke. Tensiunea

corespunzătoare punctului B reprezintă, limita de elasticitate adică tensiunea

maximă pe care o poate suporta materialul fără ca deformaţia să primească un

caracter permanent.

9

În practică se consideră însă că materialul se comportă elastic până în

apropierea limitei de curgere convenţionale Rp (ordonata punctului C ) definită

ca raportul dintre sarcina corespunzătoare unei alungiri neproporţionale

prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale S0 a epruvetei. Pentru oţeluri,

alungirea neproporţională se stabileşte, uzual, la 0,2% (Rp0,2).

Raportul dintre sarcina maximă şi aria secţiunii transversale iniţiale a

epruvetei, Fmax / S0, se numeşte rezistenţă la rupere şi se simbolizează prin Rm,

corespunzând punctului D pentru care sarcina are valoarea maximă.

La deformări mai mari decât cea corespunzătoare punctului D epruveta

suferă o gâtuire treptată care duce la ruperea în punctul E. Aparent, tensiunea în

epruvetă scade deoarece aceasta se calculează pentru secţiunea iniţială

considerată convenţional constantă pe parcursul încercării. În realitate însă,

secţiunea epruvetei se modifică treptat astfel că tensiunea reală în secţiunea

respectivă creşte până la rupere. Curba Rreal = f () se numeşte curbă reală

tensiune-deformaţie spre deosebire de curba convenţională tensiune-deformaţie

care consideră secţiunea epruvetei ca fiind constantă pe parcursul încercării.

10

Fig. 2.9 Curba caracteristică la tracţiune

Se menţionează că reprezentarea din figura 2.9 are un caracter general,

diversele materiale metalice determinând curbe cu aspecte diferite care pot să

prezinte însă mari deosebiri chiar pentru acelaşi material, dacă condiţiile de

încercare diferă.

2.2.3. Mecanismele deformării plastice

Deformarea plastică a materialelor metalice este un proces ireversibil şi se

poate produce pe două căi: prin alunecare şi prin maclare.

2.3.3.1. Deformarea plastică prin alunecare

Deformarea plastică prin alunecare este mecanismul principal prin care

se deformează plastic un material metalic şi constă din alunecarea unor pachete

de material, unul peste celălalt, de-a lungul unor plane cristaline numite plane de

alunecare.

Acest proces poate fi evidenţiat prin solicitarea la tracţiune a unei

epruvete cilindrice formate dintr-un monocristal metalic.

O dată cu atingerea

limitei de curgere, pe suprafaţa

epruvetei apar o serie de linii

paralele, secţiunea epruvetei

devine eliptică şi partea

superioară nu mai este

coaxială cu cea inferioară. La

o analiză mai detaliată se

observă pe suprafaţa epruvetei

o serie de trepte (linii de alunecare) care au luat naştere prin alunecarea relativă

a unor straturi de atomi suprapuse (fig. 2.10). Deoarece alunecarea se produce

pentru un număr întreg de distanţe atomice, integritatea suprafeţei poate fi

refăcută prin rectificare de exemplu, în urma căreia liniile de alunecare dispar

(fig. 2.11).

11

a. b. c.

Fig. 2.10 Deformarea plastică prin alunecare a unui monocristal de zinc

Examinarea prin microscopie electronică la măriri de 20.000:1 relevă însă

că ceea ce părea a fi o linie de alunecare este de fapt o bandă de alunecare,

formată din mai multe lamele, astfel că denumirea corectă nu este cea de linie de

alunecare ci de bandă de alunecare. Alunecarea nu are deci un caracter uniform

în sensul de a se produce pe fiecare plan în parte ci se produce pe un număr

limitat de plane de alunecare.

Distanţa dintre două plane de alunecare vecine este de cca. 100 distanţe

atomice, iar

lungimea de

alunecare de-a

lungul unui plan este

de cca. 1.000

distanţe atomice

(fig. 2.12).

Alunecarea

este produsă de

tensiunile

tangenţiale şi începe

pe planele de maximă densitate în atomi care sunt cel mai apropiat orientate de

planul înclinat la 45° faţă de direcţia solicitării, iar direcţia de alunecare este

direcţia cristalografică de mare densitate atomică, din planul respectiv, care face

cel mai mic unghi cu linia de cea mai mare pantă a planului de alunecare.

Alunecarea

începe atunci

când tensiunea

tangenţială care

acţionează în

planul de

alunecare atinge

o valoare critică

numită tensiune

tangenţială critică de alunecare. Mărimea acesteia pentru un cristal este

determinată de numărul de dislocaţii existente în planul de alunecare şi de

interacţiunea între dislocaţii sau cea între dislocaţii şi impurităţi. Având în

vedere aceste interacţiuni, tensiunea tangenţială critică de alunecare trebuie să

12

a. b.

Fig. 2. 11 Formarea liniilor de alunecare

Fig. 2.12 Reprezentarea schematică a unei benzi de alunecare

scadă atunci când densitatea defectelor scade, cu condiţia ca numărul de

dislocaţii rămase să fie de minimum una deoarece, în caz contrar, tensiunea

tangenţială critică creşte brusc la valoarea rezistenţei tangenţiale a unui cristal

perfect.

Ca urmare a tendinţei de a aduce direcţia de alunecare în direcţia axei de

întindere a monocristalului, în planul de alunecare se produce o rotaţie în jurul

unui ax perpendicular pe direcţia de alunecare. Această rotaţie a benzilor de

alunecare produce benzi de deformare care sunt vizibile pe suprafaţa

monocristalului sub diferite forme (formă de S, fascicule de benzi etc.).

Deformarea plastică prin alunecare a agregatelor policristaline

constituie un proces mult mai complex decât cel prezentat pentru monocristale

deoarece alunecarea este influenţată de limitele dintre grăunţi care constituie

obstacole în calea dislocaţiilor. Trebuie

arătat totodată că, deoarece într-un agregat

policristalin grăunţii au orientări diferite,

deformarea plastică nu începe simultan în

întreg agregatul ci în grăunţii care au

sistemele de alunecare cel mai favorabil

orientate în raport cu unghiul de 45° faţă de

direcţia de solicitare. Propagarea alunecării

de la un grăunte deformat la cei vecini nu

se realizează prin trecerea dislocaţiilor de la

un grăunte la altul deoarece limitele de grăunţi şi orientarea diferită a grăunţilor

se opun acestei treceri. Pe măsură însă ce dislocaţiile se aglomerează la limita de

grăunte, deplasarea acestora necesită tensiuni tot mai mari şi se creează o stare

de tensiune care excită sursele de dislocaţii din grăuntele vecin, determinând

alunecări şi în acest grăunte, odată cu atingerea tensiunii tangenţiale critice de

alunecare, (fig. 2.13).

Rezultă deci că deformarea agregatului policristalin necesită eforturi mai

mari iar deformările obţinute sunt mai mici decât pentru monocristal.

Alunecările într-un agregat policristalin vor fi cu atât mai anevoioase cu cât

limitele dintre grăunţi sunt mai numeroase, cu cât fiecare grăunte este înconjurat

de un număr mai mare de grăunţi, deci cu cât grăuntele metalic este mai fin.

13

Fig. 2.13 Propagarea alunecării în materialele policristaline

Mărimea grăuntelui are un efect puternic asupra unui mare număr de

proprietăţi mecanice: duritatea, limita de curgere, rezistenţa la rupere, rezistenţa

la oboseală, rezilienţa etc., cresc odată cu creşterea fineţei grăuntelui.

Astfel, pentru cele mai multe metale, între limita de curgere şi

dimensiunea grăuntelui s-a stabilit relaţia:

Rp = Ry + Ky ∙ 1 / (2.11)

unde: Ry - limita de curgere a monocristalului; Ky - coeficient care reprezintă o

măsură a cantităţii de dislocaţii aglomerate la limite; D - diametrul grăuntelui.

Rezultă deci că limita de curgere variază liniar cu 1 / .

Limita de curgere depinde în mai mare măsură de dimensiunea grăunţilor

decât rezistenţa la rupere deoarece limitele dintre grăunţi constituie principalele

obstacole ce se opun alunecării în primele faze ale deformării, pentru fazele

următoare rezistenţa depinzând mai mult de interacţiunile dintre dislocaţii

(ecruisare).

2.3.3.2. Deformarea plastică prin maclare

Deformarea plastică prin maclare

constă în deplasarea unei părţi din cristal

astfel încât între partea deplasată şi cea

nedeplasată se stabileşte o poziţie de simetrie

în raport cu un plan numit plan de maclare

(“imagine în oglindă”), aşa cum se prezintă

schematic în fig. 2.14. Zona deplasată

(deformată) are astfel o orientare

cristalografică diferită de cea a zonei

nedeformate.

Maclele se produc fie prin deformarea la rece a cristalului sub acţiunea

unor forţe exterioare şi în acest caz se numesc macle de deformare, fie sub

acţiunea unor tensiuni interne rezultate prin deformare plastică la rece urmată de

o recoacere de recristalizare şi în acest caz poartă numele de macle de recoacere

sau macle de recristalizare.

Spre deosebire de deformarea plastică prin alunecare, la maclare atomii se

deplasează pe distanţe mai mici decât o distanţă interatomică dar la acest proces

participă toate planele atomice din regiunea maclată.

14

Fig. 2.14 Reprezentarea schematică a maclării

Maclarea are loc mult mai rapid decât alunecarea şi în unele cazuri este

însoţită de un zgomot caracteristic (cazul staniului).

Prin schimbarea orientării cristalografice a unor regiuni din grăunţi,

maclarea poate determina ca noi sisteme de alunecare să fie aduse în poziţii

favorabile alunecării.

2.2.4. Ecruisarea (durificarea prin deformare plastică la rece)

materialelor metalice

Posibilităţile multiple de alunecare oferite în special de structurile C.F.C.

şi C.V.C. favorizează o serie de interacţiuni între dislocaţii sau între dislocaţii şi

alte obstacole din planul de alunecare. Desfăşurarea în continuare a alunecărilor

pe anumite plane devine astfel mai dificilă şi tensiunea tangenţială necesară

producerii alunecărilor creşte continuu, pe măsura creşterii deformaţiei.

Fenomenul de creştere a tensiunii necesare pentru a produce alunecarea, datorat

deformării plastice anterioare şi prin care metalul devine mai rezistent, mai dur,

se numeşte durificare prin deformare plastică sau ecruisare.

Aşa cum s-a arătat, ecruisarea este determinată de frânarea mişcării dis-

locaţiilor pe planele de alunecare. Această frânare poate fi cauzată de

interacţiunea elastică dintre dislocaţiile de acelaşi semn care se deplasează pe

plane de alunecare paralele şi care nu se pot depăşi reci-proc (formând

configuraţii stabile prin aşezare suprapusă), de interacţiunea dislocaţiilor care se

mişcă pe plane de alunecare ce se intersectează şi care formează configuraţii

imobile, de dislocaţiile care străpung planele de alunecare, de treptele formate în

dislocaţiile elicoidale etc., toate aceste obstacole formându-se pe parcursul

deformării plastice.

În afara acestor obstacole,

mişcarea dislocaţiilor mai poate fi

frânată şi de limitele intercristaline,

precipitatele microscopice sau

impurităţile existente în structură. Se

determină astfel o concentrare a

dislocaţiilor pe planele de alunecare, la

barierele existente în reţeaua cristalină,

15

Fig. 2.15 Variaţia proprietăţilor mecanice la tracţiune în funcţie de gradul

de deformare plastică

concentrare ce produce o tensiune de sens invers care se opune tensiunii de

deformare.

Ecruisarea creşte astfel cu cantitatea de dislocaţii blocate şi ea este cu atât

mai intensă cu cât deformarea plastică este mai accentuată. Cu creşterea gradului

de deformare se micşorează alungirea şi gâtuirea la rupere, rezilienţa şi

densitatea, în timp ce rezistenţa la rupere, limita de curgere, duritatea şi

rezistenţa electrică cresc în mod corespunzător (fig. 2.15).

Deoarece grăunţii tind să-şi orienteze sistemele de alunecare pe direcţia

efortului aplicat, la deformarea plastică a materialelor metalice policristaline se

produce o orientare a grăunţilor numită textură sau orientare preferată. Grăunţii

se alungesc şi structura devine astfel fibroasă, incluziunile nemetalice (silicaţi,

sulfuri, oxizi etc.) sau elementele de neomogenitate chimică a soluţiilor solide

prezentând alungiri şi distribuţii în şiruri care se intercalează printre grăunţii

metalici alungiţi. Acest fenomen poartă numele de fibraj şi poate fi observat în

majoritatea materialelor metalice datorită impurităţilor pe care le conţin.

Fibrajul determină însă o anizotropie a proprietăţilor deoarece impurităţile

distribuite în şiruri au o rezistenţă relativ redusă şi sunt fragile. Tratamentele

termice ulterioare nu pot determina eliminarea completă a fibrajului deoarece

incluziunile sunt insolubile la temperaturile uzuale pentru aceste tratamente.

În urma unor deformări puternice, grăunţii sunt fragmentaţi în blocuri

unite prin zone de concentrare a dislocaţiilor şi a altor imperfecţiuni iar cristalele

fragile se sfarmă.

Cu toate că prin ecruisare plasticitatea materialului scade, acest procedeu

este utilizat pentru mărirea rezistenţei şi durităţii cuprului, bronzurilor, alamelor,

oţelurilor etc., prin laminare, trefilare sau presare la rece. Ecruisarea în timpul

deformării plastice determină la ambutisare deplasarea deformării din aproape în

aproape şi obţinerea unui perete de grosime uniformă iar la tragerea sârmei evită

ruperea prin reducerea secţiunii acesteia.

Cea mai mare parte din energia consumată pentru deformarea plastică a

unui material metalic se transformă în căldură, dar aproximativ 3…10% din

energia consumată se înmagazinează în reţea sub formă de energie de deformare

elastică a reţelei cristaline (are loc în mod concret o generare de noi dislocaţii,

vacanţe, macle etc.), energie care poartă denumirea de căldură latentă de

deformare.

16

2.3. Efectul încălzirii asupra structurii şi proprietăţilor

materialelor metalice ecruisate (recristalizarea)

Starea ecruisată a materialelor metalice reprezintă o stare cu o energie

internă mai mare decât cea a materialului nedeformat. Această stare este

nestabilă deoarece materialul ecruisat are tendinţa de a reveni într-o stare

energetică minimă, anterioară deformării plastice la rece. Prin încălzirea unui

material ecruisat se poate provoca procesul de revenire la starea neecruisată: se

înlătură distorsiunile de reţea, tensiunile interne, rezistenţa şi duritatea se reduc,

apar grăunţi noi, nedeformaţi şi metalul îşi recapătă proprietăţile plastice. Acest

proces poartă numele de recristalizare. Forţa motrice a transformărilor este

constituită atât de căldura latentă de deformare cât şi de energia termică

furnizată sistemului prin încălzire.

La recristalizare se păstrează forma dată prin deformarea plastică, dar

proprietăţile structurale şi mecanice se modifică restabilinduse echilibrul.

Recristalizarea prezintă trei etape şi anume: restaurarea, recristalizarea

propriu-zisă (germinarea) şi creşterea grăunţilor, (fig. 2.16).

● Restaurarea constituie prima etapă a procesului de recristalizare. În

perioada restaurării (care se produce la temperaturi relativ joase), au loc

fenomene de difuzie a defectelor punctiforme spre dislocaţii şi limite, anihilarea

reciprocă a unor vacanţe şi atomi interstiţiali, rearanjarea unor dislocaţii în

poziţii de minim energetic prin poligonizare, compensarea unor dislocaţii de

semn opus etc.

Prin restaurare are loc o restabilire parţială a unor proprietăţi fizice (de

exemplu conductibilitatea electrică) şi are loc refacerea reţelei cristaline,

eliminându-se distorsiunile şi tensiunile de deformare elastică şi plastică din

benzile de alunecare. Proprietăţile mecanice şi microstructura rămân astfel

neschimbate dar tensiunile interne sunt mult diminuate.

● Recristalizarea (germinarea), se produce la temperaturi mai înalte

decât restaurarea şi se manifestă prin formarea de germeni de grăunţi noi pe

baza cărora se dezvoltă grăunţi cu reţeaua regulată şi echiaxială. Germenii de

recristalizare se formează în locurile puternic deformate ale reţelei cristaline pe

baza fragmentelor de cristale vechi care concentrează energie potenţială.

17

În această etapă se formează o structură nouă, fără tensiuni interne şi se

restabilesc în totalitate proprietăţile fizice şi mecanice la valorile iniţiale;

duritatea şi rezistenţa scad şi creşte corespunzător plasticitatea. Fenomenul

germinării se produce la depăşirea unei temperaturi critice de recristalizare sau

prag de recristalizare şi care se poate aprecia prin relaţia analitică dată de A. A.

Bocivar:

trecr. = (0,35 … 0,5) ttopire / K (2.12.)

Temperatura critică prezintă valori diferite pentru fiecare metal sau aliaj.

Pentru definirea univocă a temperaturii de recristalizare trecr, aceasta se

consideră convenţional ca fiind temperatura minimă la care materialul puternic

deformat recris-talizează complet într-o oră.

Temperatura critică de recristalizare precizează şi noţiunile de deformare

la cald şi deformare la rece în funcţie de temperatura la care are loc deformarea

plastică: dacă aceasta se produce la temperaturi peste trecr deformarea se

18

Fig. 2.16 Reprezentarea schematică a modificării proprietăţilor şi microstructurii în procesul de recristalizare

consideră a fi efectuată "la cald", deformarea sub trecr considerându-se a fi

efectuată "la rece".

Temperatura de recristalizare depinde nu numai de natura materialului ci

şi de gradul de deformare plastică. Cu cât gradul de deformare este mai mare, cu

atât energia de deformare înmagazinată în material va fi mai mare şi cu atât

necesarul de aport suplimentar de energie termică va fi mai redus, astfel că

recristalizarea va avea loc la temperaturi critice mult mai scăzute.

Pentru ca procesul de recristalizare să se poată produce, gradul de

deformare trebuie să aibă, o valoare extremă (minimă) care în general variază

între 0,2…2%.

● Creşterea grăunţilor este ultima etapă a procesului de recristalizare.

Grăunţii noi, formaţi prin recristalizarea propriu-zisă prezintă o instabilitate

energetică prin dimensiunea lor relativ mică. Această dimensiune se

caracterizează printr-un număr mare de limite de grăunţi care prezintă o energie

superficială totală cu atât mai mare cu cât numărul de grăunţi în unitatea de

volum este mare. Tendinţa de scădere a energiei limitelor de grăunţi constituie

forţa motrice a continuării procesului de recristalizare prin creşterea granulaţiei.

Considerente de contact permanent între grăunţii metalici determină, ca o

condiţie de minim energetic a limitelor grăunţilor, forma hexagonală (în planul

secţiunii examinate).

Procesul de creştere este influenţat deci de forma, mărimea şi orientarea

grăunţilor.

Un grăunte mare este mai stabil (sub aspect energetic), decât unul mic

deoarece raportul între suprafaţa limitelor şi volumul său este mai redus. Se

produce astfel un fenomen de coalescenţă caracterizat prin creşterea grăunţilor

mari pe seama celor mici (grăunţii mici sunt absorbiţi). Anexarea se face cu atât

mai uşor cu cât diferenţele de mărime între grăunţii mari şi cei mici sunt mai

importante şi cu cât orientarea celor două cristale este mai apropiată.

Acest proces de creştere a dimensiunilor grăunţilor este cu atât mai

accelerat cu cât temperatura este mai înaltă.

De asemenea, cu cât timpul de menţinere la o anumită, temperatură este

mai lung, cu atât dimensiunea finală, a grăunţilor va fi mai mare.

O influenţă deosebită în determinarea mărimii finale a grăunţilor o poate

prezenta gradul anterior de deformare plastică. La un grad de deformare redus,

numărul locurilor puternic deformate şi deci susceptibile de germinare este

19

foarte mic, structura neuniformă favorizând o creştere puternică, anormală, de

grăunte. La un grad de deformare mai mare, numărul locurilor puternic

deformate în reţea este mărit şi apariţia a numeroşi germeni de recristalizare

determină o granulaţie omogenă, şi cu atât mai fină cu cât deformarea a fost mai

puternică

2.4. Ruperea materialelor

metalice

2.4.1. Tipuri de rupere

Ruperea reprezintă

fenomenul de fragmentare al

unui corp în două sau mai multe

părţi sub acţiunea unor tensiuni

externe sau interne.

Ruperile se pot clasifica, în

general, în două mari categorii:

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 este produsă de tensiunile normale şi se mai numeşte

rupere prin smulgere sau rupere prin clivaj. 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 pentru structurile

metalice, numeroase cazuri de rupere fragilă, şi în special cele produse la poduri,

recipiente, nave maritime etc., având loc la solicitări sub rezistenţa admisibilă,

brusc - deci fără deformaţii prealabile - şi uneori după un interval destul de lung

de comportare satisfăcătoare în exploatare.

20

Fig. 2.17 Tipuri de ruperi în cazul solicitării la tracţiune:

a. - ruperea prin smulgere fragilă (rupere fragilă); b. - ruperea prin forfecare a metalelor cu ductibilitate mare (rupere ductilă); c. - ruperea prin forfecare a metalelor

cu ductibilitate moderată; d. - ruperea con-cupă

a. b. c. d.

La materialele policristaline ruperea fragilă se poate produce fie

transcristalin fie intercristalin. Aspectul suprafeţei de rupere este cristalin

strălucitor la ruperea transcristalină respectivă de culoarea fazelor la ruperea

intercristalină.

Figura 2.17 prezintă schematic câteva tipuri de rupere în cazul solicitării

la tracţiune a unor epruvete metalice. Astfel, figura 2.17 a. expune ruperea

fragilă a unei epruvete monocristaline sau policristaline, figura 2.17 b prezintă

ruperea prin forfecare a metalelor cu ductilitate mare (plumbul), iar figura 2.17 c

prezintă, ruperea prin forfecare a metalelor cu ductilitate moderată (oţelul

carbon), la care se produce o mică gâtuire urmată de o rupere con-cupă (fig.

2.17 d).

Deoarece valori apropiate de cele ale rezistenţei teoretice de rupere s-au

obţinut doar experimental pe monocristale filiforme extrem de subţiri

(whiskers), s-a admis ipoteza că ruperea materialelor metalice la o tensiune mult

mai mică decât rezistenţa teoretică de rupere este determinată de

neomogenităţile structurale şi imperfecţiunile de reţea care joacă rolul unor

concentratori de tensiuni. Prin concentrarea de tensiuni în anumite zone se poate

atinge nivelul rezistenţei teoretice de rupere astfel că se produc mici ruperi

locale, microfisuri, care se propagă apoi în tot corpul sub acţiunea stării de

tensiune.

Astfel, la ruperea ductilă prin tracţiune a oţelurilor, în zona gâtuirii

epruvetei apare o stare de tensiune triaxială care duce la formarea unor mici pori

ce se unesc sub acţiunea tensiunii aplicate şi formează o fisură centrală care se

propagă pe o direcţie perpendiculară pe axa epruvetei iar apoi pe planele de

alunecare înclinate la 45° faţă de axa epruvetei.

Microfisurile din care se dezvoltă ruperea nu există deci de la început în

material ci sunt produse în procesul de deformare. Această afirmaţie este

valabilă şi pentru ruperea fragilă care, deci nu prezintă deformaţii plastice

macroscopice, este precedată de deformări plastice microscopice. Formarea

microfisurilor din care se dezvoltă ruperea se explică prin concentrarea

dislocaţiilor la obstacole (limitele dintre grăunţi, suprafeţele maclelor de

deformare, barierele Cottrell-Lomer, incluziuni, precipitate microscopice etc.)

datorită deformărilor plastice care preced, în mod corespunzător, ruperea

propriu-zisă.

21

Figura 2.18 prezintă două scheme de amorsare a fisurilor prin

concentrarea dislocaţiilor la obstacole. Deoarece un material ductil permite

relaxarea prin deformare plastică, a tensiunilor concentrate la vârful fisurilor,

viteza de propagare a acestora este mică. Această relaxare este însă extrem de

diminuată la ruperea fragilă a materialelor metalice, la care viteza de propagare

a fisurilor este de cca.1.000 m/sec.

2.4.2. Fragilizarea materialelor metalice. Ruperea fragilă

Formarea microfisurilor nu constituie o condiţie suficientă pentru provocarea unei ruperi fragile. Pentru propagarea acestora trebuie întrunite o serie întreagă de condiţii care determină fragilizarea materialului metalic luat în considerare.

Un material metalic poate fi ductil în anumite condiţii dar poate deveni

fragil în altele. Intervine astfel noţiunea de fragilizare care se poate defini ca

fiind tratamentul prin care se diminuează capacitatea de deformare plastică a

unui material în condiţiile date. Acest tratament poate fi de natură diferită:

termic, chimic, mecanic etc. În mod obişnuit însă, prin fragilizare se înţelege

scăderea de ductilitate care rezultă prin modificarea condiţiilor de exploatare sau

de încercare a unui metal sau aliaj metalic.

Această modificare poate consta practic în scăderea temperaturii,

creşterea vitezei de solicitare, determinarea unei stări de tensiune spaţială etc.

Dintre factorii structurali care pot determina fragilizarea se poate aminti

în primul rând mărimea grăuntelui.

22

a. b.

Fig. 2.18 Formarea microfisurilor prin: a. - coalescenţa dislocaţiilor; b. - concentrarea la limitele de grăunţi

Limitele dintre grăunţi frânează propagarea fisurilor, deci cu cât limitele

vor fi mai numeroase (cu cât dimensiunile grăunţilor vor fi mai mici) cu atât

fisurile se vor propaga mai greu iar rezistenţa la rupere va fi mai mare.

Tranziţia ductil-fragil este determinată şi prin variaţia temperaturii de

încercare (exploatare). Această tranziţie are drept cauză modul diferit în care

variază tensiunea tangenţială reală de rupere t şi tensiunea normală reală de

rupere n cu temperatura.

O importanţă deosebită asupra fragilizării o au concentratorii interni de

tensiune.

Concentratorii pot fi de natură geometrică: crestături, fisuri, pori, variaţii

bruşte de dimensiuni, etc. sau de natură metalurgică: neomogenităţi structurale,

structuri fragile locale, incluziuni etc.

Starea de tensiune, alături de temperatură şi de natura şi structura

materialului influenţează deci puternic caracterul ruperii.

Deoarece factorii care pot determina fragilizarea unui material metalic

sunt extrem de numeroşi, vor fi menţionaţi doar cei mai importanţi dintre

aceştia:

- compoziţia chimică;

- structura materialului (tratamentele termice efectuate);

- condiţiile de exploatare (încercare) - temperaturi scăzute;

- viteze mari de solicitare sau deformare;

- atmosfera corozivă;

- prezenţa concentratorilor de tensiuni etc.

În general, fragilizarea este un rezultat al acţiunii comune a unora sau

altora dintre factorii prezentaţi. Pentru cazurile întâlnite în mod obişnuit în

practica construcţiilor metalice şi pentru un material dat, se consideră însă ca

având o influenţă deosebită asupra fragilizării trei factori dintre cei menţionaţi:

- temperatura scăzută de exploatare;

- starea de tensiune spaţială;

- viteza mare de deformare sau aplicare a sarcinii.

Susceptibilitatea faţă de ruperea fragilă poate fi influenţată şi de

dimensiunea piesei (structurii metalice); cu cât aceasta va fi de dimensiuni mai

mari, cu atât va putea fi înmagazinată o mai mare cantitate de energie elastică

care ar putea conduce la propagarea rapidă a unei fisuri.

23

Se menţionează că cercetările efectuate până în prezent au evidenţiat

faptul că ruperea de tip fragil apare de regulă numai la metalele cu structură

cubică cu volum centrat sau hexagonal compactă dar nu şi la metalele cu

structură cubică cu feţe centrate, în afară de cazurile în care au existat factori ce

au contribuit la fragilizarea limitelor grăunţilor acestora din urma.

Majoritatea ruperilor de tip fragil constatate în exploatare pentru un

material dat sunt determinate de temperaturi de serviciu relativ joasă şi de

prezenţa unor stări de tensiune spaţială cauzate de concentratori.

Întrucât tendinţa către o rupere fragilă este accentuată de către solicitările

sau deformările cu viteze mari, pentru cercetarea susceptibilităţii materialelor

metalice spre ruperea fragilă se utilizează de obicei diferite încercări prin şoc

(încercările de încovoiere prin şoc Charpy, Izod, Schnadt, Battelle, încercarea de

tracţiune prin şoc, încercări prin explozie etc).

2.4.3. Ruperea la oboseală

Ruperile care apar în urmă 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 preceda 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, fund de filet, incluziuni

nemetalice, microfisuri, microretasuri etc.) care, sub acţiunea sarcinilor variabile

şi repetate în timp, determină o ecruisare crescândă a zonelor respective în urma

căreia materialul nu se mai poate deforma plastic şi fisurează.

Fisurarea are loc, de regulă, la suprafaţa pieselor unde sunt localizate de

cele mai multe ori şi concentratorii de tensiune. Fisura astfel apărută se dezvoltă

treptat sub acţiunea repetată a sarcinilor variabile iar atunci când secţiunea

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

24

O rupere prin oboseală poate fi recunoscută prin existenţa a două zone: o

zonă lucioasă, relativ netedă dar care evidenţiază prin aspectul său formarea şi

avansarea în timp, a fisurii

incipiente (sunt vizibile

liniile de deformare ce

indică propagarea în etape

a fisurii, aspectul lucios

apărând în urma frecării

suprafeţelor de rupere) şi o

zonă mată, cu asperităţi,

corespunzătoare ruperii

finale, instantanee,

(fig. 2.19).

Rezistenţa la

oboseală se defineşte ca

reprezentând tensiunea alternantă sau oscilantă care produce ruperea unei

epruvete după un număr de alternanţe foarte mare; acest număr se stabileşte

convenţional şi este în mod obişnuit de 107 pentru oţeluri respectiv 108 pentru

aliaje neferoase uşoare.

Rezistenţa la oboseală scade cu creşterea dimensiunilor piesei şi a

rezistenţei la întindere a materialului întrucât, practic, toate ruperile la oboseală

pornesc de la suprafaţă, pe lângă micşorarea concentratorilor geometrici printr-o

proiectare adecvată, rezistenţa la oboseală se poate ameliora simţitor prin

durificare termică (tratamente termice de călire superficială, nitrurare, cementare

etc.) sau mecanică (rulare cu role, durificare cu jet de alice etc.) care produc

tensiuni de compresiune remanente la suprafaţa pieselor, tensiuni ce diminuează

tensiunile de întindere provocate de sarcina aplicată.

2.5. 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.

25

Fig. 2.19 Zonele ruperii prin oboseală

Astfel, 1a

temperaturi înalte, un

material metalic se

poate deforma sub

acţiunea unei sarcini

mult mai mici decât

limita de curgere şi,

dacă aceasta sarcină se

menţine constantă

deformarea va avea un

caracter continuu.

Deformarea

lentă, progresivă în timp şi continuă a unui material sub acţiunea unei sarcini

constante se numeşte fluaj. Comportarea la fluaj a unui material metalic poate fi

caracterizată prin curba de fluaj care se determină prin aplicarea unei sarcini

constante de tracţiune unei epruvete ce se menţine un anumit timp la o

temperatură înaltă. Se determină astfel variaţia în timp a deformaţiei epruvetei

care poate fi reprezentată printr-o curbă de fluaj ca cea din figura 2.20. După

lungirea instantanee ε0, curba prezintă trei zone de maximă importanţă tehnică:

– Prima zonă, AB, numită zona fluajului primar sau zona fluajului

nestabilizat, reprezintă intervalul în care viteza de fluaj dE/dt descreşte, iar

rezistenţa la fluaj a materialului creşte (datorită propriei sale deformaţii care

produce o ecruisare tot mai puternică).

– A doua zonă, BC, zona fluajului secundar sau zona fluajului stabilizat,

se caracterizează printr-o viteză de fluaj aproximativ constantă ca urmare a

compensării procesului de ecruisare prin relaxarea determinată de fenomene de

restaurare. Valoarea medie a vitezei de fluaj în această zonă se numeşte viteza

minimă, de fluaj.

– A treia zonă, CD, zona fluajului terţiar sau zona fluajului accelerat se

caracterizează printr-o creştere rapidă a vitezei de fluaj până la ruperea în

punctul D, această creştere fiind legată atât de reducerea secţiunii (gâtuirea

epruvetei) cât şi de anumite modificări structurale ale materialului.

Pentru explicarea procedeelor de deformare ce caracterizează fluajul au

fost elaborate o serie de teorii ce au în vedere fenomenele caracteristice

temperaturilor înalte: fenomenele de difuziune accelerate de mobilitatea

26

Fig. 2.20 Curba şi zonele de fluaj

crescândă a atomilor, mobilitatea mai mare a mişcării dislocaţiilor prin

mecanismul de căţărare şi alunecare peste obstacole, schimbarea sistemelor de

alunecare sau apariţia de noi sisteme de alunecare suplimentare, formarea unui

număr sporit de limite la unghiuri mici, deformarea limitelor de grăunţi etc.

Deoarece difuziunea de-a lungul limitelor de grăunţi are loc în condiţii

mai favorabile decât în interiorul grăunţilor, la o temperatură dată un material cu

grăunţi de mărime mică, va prezenta un fluaj mai accentuat decât acelaşi

material dar având grăunţi mai mari (şi deci o suprafaţă totală a limitelor mai

mică decât primul).

Cercetările

efectuate asupra

fenomenului de fluaj au

relevat că, pe măsură ce

temperatura creşte,

metalele prezintă o

trecere de la ruperea

transcristalină, către

ruperea intercristalină prin scăderea rezistenţei limitelor sub cea a grăunţilor. A

fost astfel definită noţiunea de temperatură de echicoeziune Tec , ca fiind

temperatura la care atât grăunţii cât şi limitele au aceeaşi rezistenţă sub Tec

ruperea prin fluaj se produce deci transcristalin, iar peste Tec ruperea se va

produce intercristalin (fig. 2.21). Se menţionează că pentru un material dat curba

de fluaj depinde în special în limita grăunţilor de temperatură şi de nivelul

solicitării. În funcţie de aceşti factori asociaţi proprietăţilor specifice

materialului respectiv fluajul terţiar poate să lipsească complet, fluajul secundar

poate să se caracterizeze printr-o viteză de fluaj practic nulă sau zona respectivă

să se micşoreze până la dispariţie etc.

In proiectarea structurilor solicitate la temperaturi înalte se face uz de

limita tehnica de fluaj pentru o temperatură dată, respectiv tensiunea care

produce o alungire specifică remanentă de 0,2% la o durată de încercare de 100

ore R0,2/100 , conform STAS 6596-80 - pentru încercările de scurtă durată, pentru

încercările de lungă durată recomandându-se stabilirea limitelor R0,2/100 şi R1/10.000

(alungirile la fluaj de 0,2% şi 1% pentru durata de încercare de 1000 şi respectiv

10.000 ore), corespunzătoare duratelor de funcţionare în exploatare.

27

Fig. 2.21 Temperatura de echicoeziune