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Introducción al comportamiento de fractura en acero templado
El comportamiento de fractura de acero templado representa uno de los temas más consecuentes en la ingeniería de materiales estructurales. Cuando los componentes de acero fallan, la manera en que rompen las flexiones; ya sea por deformación lenta, absorbente de energía o por deformación repentina, catastrófica cracking деренители; determina el margen de seguridad de puentes, vasos de presión, tuberías y maquinaria.
¿Cuál es la Transición Ductile-Brittle?
La transición de la dispersión dúctil describe un cambio de temperatura en el modo de fractura expuesto por muchos metales cúbicos centrados en el cuerpo, incluyendo el acero. A temperaturas elevadas, el acero deforma plásticamente antes de la fractura, absorbiendo una energía significativa a través de la coalecencia microvoide y el flujo plástico extenso. Este comportamiento dúctil se caracteriza por el escote, la ruptura y una superficie de fracturas rugientes.
La transición no se produce a una sola temperatura sino a una distancia de bordes;typically spanning 20 curvas;60 curvadeg;C dependiendo de la composición del acero y la microestructura. Dentro de esta región de transición, las fracturas de modo mixto son comunes, mostrando regiones de dimpling y de bloqueo de hervidor dútil en la misma superficie de fractura. La temperatura a la que el material absorbe un valor energético específico Jdash
Mecanismos microestructurales de la fractura de ductil y de la brisa
Fracture ductil por Coalecencia Microvoid
La fractura dúctil en acero templado se realiza a través de tres etapas: la nucleación microvoide, el crecimiento y la coalecencia. Los microvoides suelen nuclearse en partículas de segunda fase, como carburos, sulfuros o óxidos, cuando el estrés aplicado supera la fuerza interfacial entre la partícula y la matriz de acero.
Fracture de Brittle por Cleavage
Fractura de la fracción de la fracción de la presión se produce cuando una grieta se propaga a través de planos cristalinos específicos; en principio, los {100} planos en hierro de la CB se presentan; con poca deformación plástica. La grieta se nubla cuando una concentración de estrés local supera la fuerza de la grieta del material.
El papel de la tentación en el comportamiento de la fractura
La temperatura es más alta, la temperatura más alta y la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta, la temperatura más alta y el tiempo influyen directamente en el comportamiento de fractura.
Factores que influyen en la transición de la barrera del dúctil en acero templado
Composición química
Los elementos de aleación ejercen una profunda influencia en la temperatura de transición. El carbono, el elemento más influyente, aumenta la fuerza pero aumenta la temperatura de transición promoviendo la formación de carburo y aumentando la dureza de la estructura martensiática. El manganés mejora la dureza y reduce la temperatura de transición refinando el tamaño del grano y estabilizando la austenita excesiva.
Tamaño de la abuela
La relación Hall-Petch describe cómo el refinamiento de granos aumenta la fuerza, pero el refinamiento de granos también mejora la dureza de fractura y reduce la temperatura de transición de la temperatura de la temperatura de la dispersión dúctil-brittle. El acero fino proporciona más límites de grano por volumen de unidad, que actúan como obstáculos para la propagación de crack-temporáneo-grieta.
Microestructura y distribución de carburos
La martensita templada contiene carburos de tamaño, forma y distribución variable según la condición templada. Carburos gruesos a lo largo de los límites de grano o de latadura actúan como concentradores de estrés que favorecen la iniciación del estiércol. Carburos finos, distribuidos uniformemente dentro de la matriz ferrite proporcionan fuerza sin comprometer la dureza.
Tasa de estrado
El rendimiento de los componentes de carga de alta presión de carga es muy rápido, y la resistencia a la carga de los vehículos se incrementa más rápidamente que la fuerza de la fractura, cambiando la temperatura de transición hacia arriba. Un acero que se comporta dúctilmente bajo carga cuasi estática puede fallar rápidamente bajo carga de impacto a la misma temperatura.
Stress State and Constraint
La triaxialidad del estado de estrés influye en el modo de fractura. Las condiciones de coacción elevadas, como las encontradas en muletas, grietas o transiciones geométricas agudas, elevan la tensión hidrostática y promueven la fractura de hervidor incluso en materiales que de otro modo se comportan dúctilmente. Las secciones gruesas crean mayor limitación que las secciones delgadas porque la tensión a través de la tensión no puede reducirse.
Tamaño de la abuela de Austenite y Banda
El tamaño de grano austenito anterior, establecido durante la austenitización antes de la anclaje, tiene un efecto duradero en la estructura templada. Los granos de austenita anteriores gruesos producen paquetes y latigazos de martensita más gruesos, que proporcionan caminos más largos sin interrupción para la propagación de grieta de grieta.
Métodos de prueba para la transición de la barrera dúctil
Pruebas de impacto de carpia
El test de impacto Charpy V (CVN) sigue siendo el método más utilizado para caracterizar la transición dúctil-brittle en acero templado. En este test, un espécimen grabado es golpeado por un martillo péndulo, y la energía absorbida durante la fractura se registra. Al probar especímenes a una serie de temperaturas, los ingenieros construyen una curva de temperatura energética que revela la región de transición.
Pruebas de tos por fractura (KIC, J-Integral, CTOD)
Para aplicaciones críticas cuando se requiere análisis de mecánica de fractura cuantitativa, los ingenieros recurren a pruebas de resistencia de fractura estandarizada. La resistencia a la fractura de la cepa plana KIC mide el factor de intensidad de estrés en el que comienza a crecer una fractura aguda.En la región de transición de la fractura ductil-brittle, donde la fractura es precedida por una plasticidad significativa, los métodos de apertura de la curva J-integración de punta de la punta de lagrieta (TCA)
Suelta el peso y el test dinámico del tear
La prueba de peso de gota (ASTM E208) determina la temperatura de transición de nil-ductilidad (NDTT), que es la temperatura inferior que un espécimen que contiene una pequeña fracción de la correa de soldadura completamente cuando se golpea por un peso de caída. Esta prueba es particularmente relevante para los aceros de los vasos de presión, donde el NDTT correlaciona con el inicio de la fractura de labranza.
Pruebas de impacto Instrumentados
La prueba de impacto moderna instrumentada utiliza medidores de tensión y acelerómetros en el huelguista de Charpy para capturar datos de carga o desplazamiento de carga durante el evento de fractura. Esta instrumentación separa el total de energía absorbida en energía de iniciación (energía necesaria para iniciar la grieta) y energía de propagación (energía necesaria para propagar la grieta a través del espécimen).
Examen e interpretación de la superficie de la fractura
Características de la superficie de la fractura dúctil
Bajo la microscopía de escaneo (SEM), las superficies de fractura dúctil presentan una topografía disuelta característica. Cada muestra representa el sitio de un microvidio que creció y coalestado con vacíos adyacentes. Las muestras equiatadas indican un estado de estrés normal dominante, mientras que las dimples alargados o parabólicos indican condiciones de de desgarro o desgarro.
Funciones de la superficie de la fractura de la botella
Fracturas de alta tensión muestran superficies planas y caras que representan los planos cristalinos a lo largo de los cuales se propaga la grieta. Pautas de ríos circuncidadash; líneas convergentes que trazan la dirección de propagación de grietas locales; emanen del sitio de iniciación de pulverización y ayuden a identificar dónde se originó la fractura de hidrógeno.
Fracture mixto-modo en la región de transición
En la región de transición, las superficies de fractura muestran una mezcla de características dúctiles y frágiles. Cerca del lado dúctil de la transición, las facetas aisladas de escote aparecen dentro de una matriz predominantemente difundida. Cerca del lado frágil, las islas de desgarramiento dúctil interrumpen una superficie dominada por el cuerpo de otro tipo.
Embrittlement Temper y su efecto en el comportamiento de transición
El efecto de la reestructuración de la temperatura es un fenómeno específico que afecta al acero templado y puede degradar gravemente la resistencia a las fracturas. Se produce cuando el acero se mantiene en o se enfría lentamente a través del rango de temperatura de 375 unidades; 575 grados;C durante el tratamiento de templado o calor.
Implicaciones de diseño y normas de ingeniería
Selección de materiales para el servicio de baja temperatura
Para componentes que operan a bajas temperaturas, los ingenieros deben seleccionar grados de acero con una temperatura de transición dúctil-brittle segura debajo de la temperatura mínima de servicio. El margen requerido varía según aplicación y código. Para los buques de presión, el código ASME Boiler y Presión Vessel requiere pruebas de impacto de Charpy a la temperatura de metal mínimo diseño (MDMT) para todos los materiales de retención de presión.
Optimización del tratamiento de calor
El rendimiento óptimo de la resistencia y la resistencia en el acero templado requiere un control cuidadoso del proceso de tratamiento térmico. El tratamiento de la manguera produce una alta martensita, que luego se templa para restaurar la dureza. La temperatura templada se elige en base a la fuerza de objetivo y la combinación de dureza: el templado de baja temperatura para alta resistencia, el templado de alta temperatura para mejorar la resistencia con una resistencia reducida.
Diseño basado en la estructura mecánica
El método de evaluación de fallos (FAD) codificado en estándares como BS 7910 y API 579, proporciona un marco para evaluar si un defecto similar a la grieta es aceptable en condiciones de carga y temperatura dadas. Estas evaluaciones requieren conocimiento del material excesivo de cortescos; s resistente a la fractura a la temperatura de servicio, que se determina desde la curva de transición de hervidor ductil.
Estudios de Casos y Observaciones Prácticas
El barco de la libertad falla
El ejemplo más famoso de la transición dúctil-brittle causando falla catastrófica es la fracción del buque Liberty durante la Segunda Guerra Mundial. Más de 200 barcos experimentaron fracturas de hervidor, con varias rupturas completamente en dos mientras que en el mar o en el puerto. La investigación reveló que la fractura se originó en concentraciones de estrés como escotillas y defectos de soldadura, y se propagaron a través de las placas de acero con poca deformación plástica.
Aplicaciones modernas: tuberías árticas y estructuras offshore
En los proyectos modernos de tuberías árticas de líquido, como los de Alaska y el norte de Canadá, el acero de tuberías debe exhibir comportamiento dúctil a temperaturas inferiores -40 grados;C. Estos aceros se producen con contenido de carbono ultra bajo (0.03 unidades;0.06% C), microaltado con niobio y vanadio, y laminado termomecánico controlado para lograr microestructuras altas finas con bajas temperaturas de transición especificadas.
Temas avanzados en la transición de la botella
Efectos y transferibilidades de los mismos
Las pruebas de resistencia a las fracturas de laboratorio se realizan en especímenes con alta limitación (grietas profundas y triaxialidad alta), mientras que los componentes estructurales suelen contener grietas poco profundas o defectos superficiales con menor limitación.La transferibilidad de los datos de laboratorio a las aplicaciones estructurales requiere entender cómo la restricción afecta la dureza de la fractura.
Naturaleza estadística de la fractura de Cleavage
La fractura de espécimen en la región de transición es inherentemente estadística.La probabilidad de un sitio de iniciación de escisión crítica existente dentro de la zona de proceso por delante de una punta de grieta aumenta con el volumen de material altamente estresado. Las secciones del escaneo y componentes mayores tienen una probabilidad mayor de contener un defecto crítico o un eslabón débil, lo que conduce a una menor resistencia y un cambio de temperatura de transición.
Arrestar dinámico de Crack
Un aspecto importante del control de fracturas es la capacidad de un material para detener una grieta en marcha. La resistencia a la propagación de crack (K)Ia) describe la resistencia a la propagación continua de una grieta dinámica. La temperatura de transición de grieta de grieta es típicamente 20 TM ;30 ;C menor que la temperatura de iniciación de grieta para el mismo material.
Conclusión
La transición de la maquinaria de la técnica de la mecánica, la microestructura, las condiciones de carga y el estado de estrés. Entendiendo los mecanismos que controlan esta transición; desde la núcleo y propagación de las grietas de la pulverización hasta el papel de los límites de grano y las partículas de carbono; los ingenieros de la fractura pueden diseñar los límites de acero que operan con seguridad.