Introduzione alla Frattura fragile

La frattura fragile nei metalli è un modo di guasto improvviso e catastrofico che si verifica con poca o nessuna deformazione plastica visibile.A differenza della frattura duttile, che comporta un significativo assorbimento di energia attraverso la nucatura e la lacrimazione, le crepe fragili si propagano rapidamente, spesso a velocità che si avvicinano alla velocità del suono nel materiale.

I metalli che normalmente mostrano un comportamento duttile a temperatura ambiente possono diventare fragili in determinate condizioni: basse temperature, alti tassi di sforzo, o la presenza di concentratori di stress. Questa transizione duttile-to-brittle (DBTT) è una considerazione critica del design per gli acciai ferritici utilizzati nei climi freddi o nel servizio criogenico. Le caratteristiche microstrutturali che controllano la transizione includono la dimensione del grano, il carattere limite del grano, le particelle di seconda fase e la struttura cristallina.

Caratteristiche microstrutturali Influenza Frattura fragile

Dimensione del grano

La dimensione del grano è uno dei parametri microstrutturali più influenti che influenzano il comportamento della frattura. Secondo il rapporto Hall-Petch, la dimensione del grano diminuisce aumenta la resistenza alla resa e, entro certi limiti, migliora anche la durezza.

La distribuzione delle dimensioni del grano, la presenza di strutture a grano bimodale o eterogeneo, può creare regioni localizzate dove le crepe iniziano prematuramente. I grani ultrafine (scala submicron) possono anche introdurre sfide come la ridotta capacità di indurimento del lavoro, che possono spostare i meccanismi di guasto.

Fiori di grano

I confini del grano sono entrambi ostacoli e potenziali vie per le crepe. I confini del grano ad alto angolo, con le esorientazioni superiori a 15°, generalmente agiscono come barriere efficaci alla propagazione di clevage trasgranulare perché il piano di crepa deve riorientare per abbinare i piani di cleavage cristallici nel grano adiacente.

I sistemi di distribuzione dei caratteri di cereali (GBCD) che migliorano la popolazione di alto angolo e di CSL, possono migliorare la resistenza alla frattura intergranular. Per i superalloys a base di nichel e gli acciai inossidabili austenitici, il controllo della struttura del bordo dei cereali riduce la suscettibilità a stress di cracking della corrosione e di embrittlement dell'idrogeno.

Precipitati e inclusioni

Inclusioni non metalliche (ad esempio, solfuri, ossidi, silicati) e precipitati secondari (ad esempio, carburi, nitridi, intermetallici) sono caratteristiche microstrutturali comuni che possono innescare la frattura fragile agendo come concentratori di stress.

La frazione di volume e la spaziatura delle inclusioni sono fondamentali. Una densa popolazione di inclusioni strettamente distanziate riduce lo stress critico per l'iniziazione della crepa, come i microvoidi possono collegare più facilmente. In acciai ad alta resistenza, le inclusioni di ossido da processi di deossidazione sono particolarmente dannose se superano una certa dimensione della soglia (tipicamente > 5 μm). Le pratiche di acciaio pulito (ad esempio, minimizzazione del vuoto, trattamento del calcio)

Seconda Fasi e Prodotti di Trasformazione

In lega multifase, la distribuzione e le proprietà meccaniche delle singole fasi regolano la frattura. Ad esempio, in acciai inossidabili duplex, la fase ferrite può essere più incline a scolavage a basse temperature rispetto all'austenite, quindi un alto contenuto di ferrite può aumentare il DBTT. In acciai al carbonio, la presenza di bainite o martensite come fase costitutiva al carbonio può aumentare la durezza, ma anche aumentare il rischio di frattura del fragilità se non correttamente temperato.

Le particelle intermetalliche, come la fase sigma in acciaio inox o la fase Laves in superalloys, sono tipicamente fragili e possono agire come inizieri di crepa se si formano in reti continue.

Meccanismi della Frattura fragile

Frattura di scovatura

La frattura cravatta è il meccanismo di frattura più comune in BCC e metalli esagonali (HCP) che determinano la separazione lungo specifici piani cristallici, in genere i piani {100}] ]] in metalli BCC e {0001} in cui si trovano in corrispondenza di un'azione di rottura teorica.

Diversi modelli, tra cui la teoria del Griffith e il modello Smith per la scolatura indotta dal carburo, riguardano i parametri microstrutturali allo stress della frattura dello scolavage. Il criterio Griffith afferma che una fessura preesistente della lunghezza a] si propaga quando lo stress applicato raggiunge un valore critico proporzionale alla radice quadrata dell'energia di superficie divisa da [FLT:

Frattura intergrana

La frattura intergranaria si verifica quando la propagazione della crepa segue i confini del grano piuttosto che i percorsi trasgranulari. Questo meccanismo è tipicamente associato all'embrittle boundary per la segregazione di elementi di impurità (ad esempio, zolfo, fosforo, stagno) o la presenza di limiti di grano fragili.

Il controllo microstrutturale per prevenire la frattura intergranulare comprende minimizzare i livelli di impurità, utilizzando elementi di gettering (ad esempio, molibdeno per legare il fosforo), applicando il raffreddamento rapido attraverso le gamme di temperatura embritling, e raffinando la dimensione del grano per aumentare la superficie totale del limite del grano, che diluisce la concentrazione di segregazione.

Condizioni ambientali e operative

Temperatura e Tariffa di Strain

La temperatura ha un effetto profondo sulla risposta microstrutturale allo stress. A basse temperature, l'attivazione termica del movimento di dislocazione è ridotta, rendendo la deformazione plastica più difficile. Questo aumenta la resistenza alla resa e abbassa la duttilità. Per i metalli BCC, il DBTT è una funzione di granulometria, il contenuto interstiziale e la legatura.

In pratica, il test di impatto Charpy viene utilizzato per misurare l'energia assorbita durante una rapida frattura attraverso una gamma di temperature. La curva di transizione è sigmoidale, e la microstruttura del materiale influenza direttamente la forma e la posizione di quella curva. Gli acciai finiti con carburi sferoiati mostrano una minore energia DBTT e una maggiore energia del ceppo superiore rispetto agli acciai grezzi con carburi lamellari.

Stato di stress e nocche

La frattura fragile è promossa da stress triassiale a trazione, che sopporterà il flusso di plastica. Le tacche, i fori e i bruschi cambiamenti nella sezione creano concentrazioni di stress che elevano gli stress locali sopra lo stress globale. In tali condizioni, il materiale può fallire da uno sforzo di disgelo anche se lo stress nominale è inferiore alla resistenza al rendimento.

Tecniche di analisi microstrutturale

Microscopio ottico

La microscopia ottica è lo strumento di prima linea per la valutazione delle dimensioni del grano, del contenuto di inclusione e della distribuzione di fase. I metodi standard (ASTM E112) consentono la misura quantitativa delle dimensioni medie del grano utilizzando il metodo di intercettazione o planimetrico.

Microscopia Elettronica di scansione (SEM)

Le superfici fratture da insuccessi fragili espongono sfaccettature di scolavaggio, marcature fluviali, caratteristiche intergranarie e crepe secondarie. Spettroscopia di raggi X (EDS) dispersa energetica, accoppiata con SEM identifica chimica di inclusione e mappe di segreganti.

Microscopia elettronica di trasmissione (TEM)

TEM offre la massima risoluzione per lo studio delle dislocazioni, dei precipitati fini e della struttura del limite di grano. In studi di frattura fragili, TEM può rivelare i siti di nucleazione di microcracks, debonding interfacciale, e la natura dei film di confine di grano.

Diffrazione a raggi X (XRD)

XRD è usato per determinare le tensioni residue, le frazioni austenite conservate e la texture. In acciaio, l'austenite conservata può migliorare la durezza attraverso la plasticità indotta dalla trasformazione (TRIP), mentre l'intensità della texture elevata può influenzare l'anisotropia della resistenza alla frattura.

Implicazioni per la progettazione dei materiali

La comprensione delle radici microstrutturali della frattura a fragilità consente agli ingegneri dei materiali di progettare leghe con una maggiore affidabilità. La raffinatezza del grano tramite laminazione controllata, la ricristallizzazione o la deformazione plastica grave è una delle strategie più efficaci. La combinazione di raffinatezza del grano con microlegatura (ad esempio, aggiunte di niobio, vanadio, o titanio) promuove la crescita del grano inibita durante l'alta struttura.

L'ingegneria dell'inclusione è altrettanto importante. Le pratiche di fabbricazione dell'acciaio pulito, come l'agitazione dell'argon, il trattamento del vuoto e l'iniezione del calcio, riducono il numero e modificano la morfologia delle inclusioni. L'abbassamento del contenuto dello zolfo al di sotto dello 0,05% riduce al minimo gli stringhe del solforo del manganese.

Infine, strumenti computazionali come la modellazione a campo di fase e i metodi di elementi finiti di plasticità cristallo possono simulare l'effetto della microstruttura sul comportamento di frattura. Questi modelli, convalidati da dati sperimentali, guidano l'ottimizzazione dei parametri di composizione e di elaborazione per ridurre al minimo il rischio di guasto fragile.

Conclusioni

La frattura breve nei metalli è fondamentalmente un fenomeno microstrutturale. La dimensione del grano, il carattere limite del grano, la natura dei precipitati e delle inclusioni, e la distribuzione delle fasi tutti determinano se un materiale non mancherà in modo catastrofico, fragile o assorbirà l'energia attraverso la lacrimolazione del duttile.