Fractură (mecanică)

Fractura (sau ruperea ) din mecanică este un fenomen care apare din cauza tensiunilor care acționează asupra materialului și constă, la nivel macroscopic, în dezintegrarea materialului în sine (sau a obiectului) în fragmente minore.

Acest fenomen se caracterizează prin dezintegrarea legăturilor chimice care mențin atomii care alcătuiesc materialul unit și coeziv ; aceste legături sunt rupte datorită unei energii externe furnizate, de exemplu, de un stres extern care este prea intens.

În fiecare material, se disting diferite tipuri de fracturi: fragile, ductile, obositoare, prin fluare și așa mai departe, toate fenomenele derivând tocmai din ruperea mai mult sau mai puțin imediată a legăturilor interatomice ale materialului.

Fractura poate apărea, de asemenea, cu solicitări reduse care acționează atât ca o fractură fragilă, cât și ca un colaps datorat oboselii . Fractura se poate propaga de-a lungul marginii boabelor (cristale metalice) care alcătuiesc materialul fracturat ( fractură intergranulară ) sau printr-o fractură în interiorul boabelor ( fractură transgranulară ).

Mecanisme de fractură

Tipuri de fracturi pentru un specimen cilindric supus tensiunii:
(a) Fractură fragilă
(b) Fractură ductilă cu „gât” localizat
(c) Fractură complet ductilă

În general, există două tipuri de fracturi:

Ductil : materialul supus stresului înainte de rupere este semnificativ deformat în câmpul plastic, absorbind astfel o parte din energie ca energie de plastifiere;
Fragil : materialul supus stresului nu suferă (cel puțin macroscopic) deformări plastice și fracturi în câmpul elastic.

În metale

La metale și aliaje, la nivel microscopic, cele mai frecvente mecanisme de fractură sunt trei: fractură ductilă, fractură de clivaj fragilă și fractură intergranulară fragilă.

Fractură ductilă

Un material metalic supus fracturii ductile are, macroscopic, un aspect fibros pe suprafețele fracturii. Acest aspect se datorează prezenței pe suprafețele micro-cavităților numite gropițe .

De obicei, etapele observate în fractura ductilă sunt:

Nucleația micro-aspiratoarelor în corespondență cu particulele din a doua fază (în cazul materialelor metalice de uz tehnic) datorită decoeziunii sau ruperii particulelor. În cazul metalelor pure, nucleația se poate datora prezenței defectelor locale;
Creșterea micro-aspiratoarelor din jurul particulei prin deformarea plastică a matricei;
Coalescența micro-aspiratoarelor adiacente și fractura ulterioară.

În cazul materialelor metalice de uz tehnic, datorită rezistenței lor ridicate, este posibil ca faza de coalescență a micro-aspiratoarelor să nu aibă loc. Îmbinarea cavităților are loc datorită eșecului de-a lungul benzilor de forfecare, slăbit de prezența microcavităților.

Fractură de decolteare fragilă (accident)

Fractura de decolteare (sau „fractură de prăbușire”) se caracterizează printr-o rupere bruscă a materialului, cauzată de incapacitatea acestuia din urmă de a se deforma plastic. Materialele metalice, la temperaturi obișnuite de utilizare, sunt greu de fracturat din cauza clivajului. Condițiile care pot provoca acest tip de fractură sunt temperaturile scăzute, un grad ridicat de triaxialitate a stresurilor și viteza mare de aplicare a stresului.

În general, fractura de clivaj este transgranulară și se propagă de-a lungul planurilor atomice cu cea mai mică densitate atomică, caracteristică tipului de rețea cristalină. Pentru rețelele cubice centrate pe corp, planul menționat mai sus este 100, în timp ce pentru hexagonalele compacte este 0001. La începutul fracturii în același bob, pot fi create mai multe planuri de fractură paralele care ulterior tind să se contopească într-un singur plan. Aceasta creează așa-numitele semne de râu pe suprafața fracturii a căror direcție indică originea fracturii; suprafața fracturii este deci compusă din „fațete” netede, separate de modelele râului .

În aliajele polifazice, complexitatea microstructurii înseamnă că fractura, în ciuda faptului că este transgranulară, nu are loc pe un singur tip de plan cristalin, creând astfel fațete mai puțin netede și definite.

Fractură intergranulară fragilă

Fractura intergranulară are loc prin decoeziunea boabelor cristaline la limita boabelor. Este asociat cu o rezistență redusă la rupere a materialului și, prin urmare, o fragilitate ridicată. Suprafețele fracturii sunt fațetate și strălucitoare.

Fractura intergranulară apare atunci când limitele granulelor, de obicei mai rezistente decât boabele în sine, sunt slăbite și devin inevitabil locul traseului fracturii.

Principalele cauze ale slăbiciunii la granița cerealelor sunt următoarele:

precipitarea fazelor fragile pe limita granulelor;
segregarea la granița cerealelor a elementelor fragilizate;
fragilizarea graniței de cereale de medii agresive (de exemplu, hidrogen în oțeluri);
coroziune intergranulară.

Fragilitatea hidrogenului

Același subiect în detaliu: fragilitatea hidrogenului .

În oțeluri, pătrunderea atomilor de hidrogen în matricea feroasă este cauza fragilizării hidrogenului sau EAC ( Envirometal Assisted Cracking ) care determină fractura fragilă a oțelului.

Sensibilitatea la acest fenomen este mai mare cu cât proprietățile mecanice ale materialului sunt mai mari.

Acest fenomen apare, de exemplu, în conductele subterane de oțel și conductele submarine echipate cu protecție catodică .

De fapt, în acest caz, în zona catodică în care există în mod normal o concentrație mai mare de hidrogen datorită supraprotecției, poate exista penetrarea atomilor de hidrogen în oțel.

Această difuzie depinde și de structura microcristalină a oțelului.

Cauze

Cauzele sunt diverse, cu toate acestea, metalele cu rețea cristalină cubică (cfc) centrată pe față (de exemplu, oțel inoxidabil Al și austenitic ) nu prezintă fracturi fragile chiar și la temperaturi scăzute (70 K), în schimb materiale cu rețea cubică centrată pe corp (ccc ) (de ex. oțelurile feritice ) au o temperatură de tranziție , sub care comportamentul se schimbă de la ductil la fragil. Această temperatură, pe lângă compoziția aliajului, este puternic influențată de tratamentele termice suferite de oțel în timpul construcției și poate fi influențată și de fenomene externe precum coroziunea intergranulară sau radiația neutronică pe care o suferă oțelurile care formează vasul reactorului. .

Stresul teoretic de fractură

Dacă fractura este analizată la nivel atomic, se poate presupune în mod rezonabil că apare în corespondență cu ruperea legăturilor interatomice. Pentru ca legăturile atomice să fie sparte, trebuie aplicată o tensiune de tracțiune, cel puțin egală cu tensiunea de coeziune a legăturilor menționate anterior.

Luați în considerare o singură legătură atomică cu distanță de echilibru $b_{0}$ ${\ displaystyle b_ {0}}$ $b_ {0}$ căruia i se aplică o forță $P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ de tracțiune care tinde să mărească distanța interatomică $X$ ${\ displaystyle x}$ $X$ .

Tendința forței aplicate în funcție de deplasarea interatomică poate fi reprezentată ca o primă aproximare cu jumătate de perioadă sinusoidală (pentru simplitate considerăm originea în $b_{0}$ ${\ displaystyle b_ {0}}$ $b_ {0}$ )

P=P_{c}\sin \left({\frac {\pi x}{\lambda }}\right)

{\ displaystyle P = P_ {c} \ sin \ left ({\ frac {\ pi x} {\ lambda}} \ right)}

{\ displaystyle P = P_ {c} \ sin \ left ({\ frac {\ pi x} {\ lambda}} \ right)}

unde este $P_{c}$ ${\ displaystyle P_ {c}}$ $P_c$ este forța de coeziune (care corespunde forței maxime), e $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ este o constantă convenabilă.

Rigiditatea obligațiunii, calculată ca derivată în $x=b_{0}=0$ ${\ displaystyle x = b_ {0} = 0}$ $x = b_ {0} = 0$ a forței aplicate este

k={\frac {dP}{dx}}(0)={\frac {P_{c}\pi }{\lambda }}

{\ displaystyle k = {\ frac {dP} {dx}} (0) = {\ frac {P_ {c} \ pi} {\ lambda}}}

{\ displaystyle k = {\ frac {dP} {dx}} (0) = {\ frac {P_ {c} \ pi} {\ lambda}}}

Înmulțind ambii termeni ai ecuației anterioare cu numărul de legături pe unitate de suprafață și cu distanța interatomică $b_{0}$ ${\ displaystyle b_ {0}}$ $b_ {0}$ primim:

E={\frac {\sigma _{c}b_{0}\pi }{\lambda }}

{\ displaystyle E = {\ frac {\ sigma _ {c} b_ {0} \ pi} {\ lambda}}}

{\ displaystyle E = {\ frac {\ sigma _ {c} b_ {0} \ pi} {\ lambda}}}

care s-a conformat $\sigma _{c}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {c}}$ $\ sigma _ {c}$ rezultă:

\sigma _{c}={\frac {E\lambda }{\pi b_{0}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {c} = {\ frac {E \ lambda} {\ pi b_ {0}}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {c} = {\ frac {E \ lambda} {\ pi b_ {0}}}}

unde este $\sigma _{c}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {c}}$ $\ sigma _ {c}$ este efortul de coeziune e $ȘI$ ${\ displaystyle E}$ $ȘI$ este modulul de întindere a elasticității materialului.

Energia de suprafață poate fi calculată și ca jumătate din energia de fractură (deoarece există două suprafețe care se formează),

\gamma _{s}={\frac {1}{2}}\int _{0}^{\lambda }\sigma _{c}\sin \left({\frac {\pi x}{\lambda }}\right)dx={\frac {\sigma _{c}\lambda }{\pi }}

{\ displaystyle \ gamma _ {s} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {0} ^ {\ lambda} \ sigma _ {c} \ sin \ left ({\ frac {\ pi x} {\ lambda}} \ right) dx = {\ frac {\ sigma _ {c} \ lambda} {\ pi}}}

{\ displaystyle \ gamma _ {s} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {0} ^ {\ lambda} \ sigma _ {c} \ sin \ left ({\ frac {\ pi x} {\ lambda}} \ right) dx = {\ frac {\ sigma _ {c} \ lambda} {\ pi}}}

.

Combinând aceasta din urmă cu expresia anterioară a $\sigma _{c}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {c}}$ $\ sigma _ {c}$ se dovedește

\sigma _{c}={\sqrt {\frac {E\gamma _{s}}{b_{0}}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {c} = {\ sqrt {\ frac {E \ gamma _ {s}} {b_ {0}}}}}

{\ displaystyle \ sigma _ {c} = {\ sqrt {\ frac {E \ gamma _ {s}} {b_ {0}}}}}

.

Pentru ca fractura să se producă, efortul aplicat trebuie să fie mai mare sau egal cu forța de coeziune și, dacă este constantă $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ la $b_{0}$ ${\ displaystyle b_ {0}}$ $b_ {0}$ , am notat asta $\sigma _{c}=\sigma _{\text{frattura}}\approx {\frac {E}{\pi }}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {c} = \ sigma _ {\ text {fracture}} \ approx {\ frac {E} {\ pi}}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {c} = \ sigma _ {\ text {fracture}} \ approx {\ frac {E} {\ pi}}}$ . Cu toate acestea, acest lucru nu este de acord cu ceea ce sa constatat experimental, deoarece tensiunile de fractură măsurate experimental sunt cu două sau trei ordine de mărime mai mici decât modulul elastic. Acest lucru se datorează efectului prezenței inerente a defectelor în materiale, care este studiat de mecanica fracturii .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre fractură

linkuri externe

Gruppo Italiano Frattura: Informații și publicații despre activități în domeniul fracturilor și integrității structurale , pe grupofrattura.it .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85051154 · BNF (FR) cb119469536 (data) · NDL (EN, JA) 00.562.833

Portal de inginerie

Portal mecanic

V · D · M Mecanica clasică și mecanica continuumului
Cantități intensive	Densitate · Viteză macroscopică · Câmp mediu · Tensiune internă · Temperatură · Deformare · Densitate termică
Cantități mari	Masă · Debit · Moment · Forță externă · Energie internă · Căldură · Disipare · Lucrare termodinamică
Bilanțe contabile	Conservarea masei · Echilibrul impulsului · Echilibrul energiei interne
Aproximări	Ecuații Euler · Ecuații Navier-Stokes · Ecuații Burnett
Citit	Legea lui Pascal · Legea lui Newton · Legea Fourier · Stokes Legea · Legea lui Hooke
Mecanica solidelor	Solid · Teoria elasticității · Teoria plasticității · Reologie · Viscoelasticitate
Mecanica fluidelor	Fluid · statice ale fluidelor · Fluid · Vâscozitate · Fluid newtonian · Fluid non-newtonian