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Introduzione al Comportatore di Frattura in Acciaio Temprato
Il comportamento frattura dell'acciaio temprato rappresenta uno dei temi più consequenziali dell'ingegneria dei materiali strutturali. Quando i componenti dell'acciaio falliscono, il modo in cui si rompe e si rompe; se con deformazione lenta, assorbita dall'energia o con improvvise, catastrofiche crepe & mdash; determina il margine di sicurezza dei ponti, dei vasi di pressione, delle tubazioni e dei macchinari.
Cos'è la Transizione Ductile-Brittle?
La transizione duttile-brittle descrive un cambiamento dipendente dalla temperatura in modalità frattura esibita da molti metalli cubici (BCC) concentrati sul corpo, tra cui l'acciaio. A temperature elevate, l'acciaio deforma plasticamente prima della frattura, assorbendo l'energia significativa attraverso la carbonascenza microvoide e il flusso di plastica esteso.
La transizione non avviene a una temperatura unica ma su una gamma estensiva; si tratta di una distanza tra 20 endash; 60 es.; C a seconda della composizione e della microstruttura dell'acciaio; all'interno di questa regione di transizione sono comuni fratture a movimento misto, che mostrano regioni di dimpling duttile e di scolavaggio fragile sulla stessa superficie di frattura.
Meccanismi microstrutturali della frattura duttile e fragile
Frattura duttile di microvoide
La frattura del duttile in acciaio temperato procede attraverso tre fasi: nucleazione microvoide, crescita e carbonescence. I microvoidi tipicamente nucleano a particelle di seconda fase, come i carburi, i solfuri o gli ossidi, quando lo stress applicato supera la resistenza interfacciale tra la particella e la matrice di acciaio.
Frattura fragile di Cleavage
La frattura di cravatta si verifica quando una crepa si propaga lungo specifici piani cristallici e mdash; in genere i piani {100} in ferro e in polvere BCC; con poca deformazione plastica. Il nucleo di crack si verifica quando una concentrazione di stress locale supera la resistenza di clevage del materiale.
Il ruolo del Tempismo nel comportamento frattura
La temperatura è un trattamento termico applicato a acciaio indurito per ridurre la durezza, aumentare la resistenza e alleviare le sollecitazioni interne. Durante la tempra, la microstruttura martensitica si decompone in martensite temperato, che consiste in particelle di carburo fini disperse in una matrice di ferrite.
Fattori che influenzano la transizione a secco in acciaio temperato
Composizione chimica
Gli elementi di legamento esercitano una profonda influenza sulla temperatura di transizione. Il carbonio, l'elemento più influente, aumenta la resistenza, ma aumenta la temperatura di transizione, promuovendo la formazione del carburo e aumentando la durezza della struttura martensitica.
Dimensione del grano
Il rapporto Hall-Petch descrive come la raffinatezza dei cereali aumenta la resistenza al rendimento, ma la raffinatezza dei cereali migliora anche la resistenza alla frattura e abbassa la temperatura di transizione duttile-bolliente. L'acciaio finemente granulato fornisce più confini del grano per volume unitario, che agiscono come ostacoli alla propagazione delle fessure di scolanciamento.
Distribuzione di microstrutture e carburo
La martensite temperata contiene carburi di varia dimensione, forma e distribuzione a seconda della condizione di tempra. I carburi ruvidi lungo i confini del grano o dei lati agiscono come concentratori di stress che favoriscono l'iniziazione della fessura. I carburi finemente distribuiti all'interno della matrice ferrite forniscono resistenza senza compromettere severamente la tenacità.
Tasso di Strain
Il tasso di carico influisce fortemente sulla transizione tra duttile e fragilità. Ad alti tassi di sforzo, come quelli riscontrati nel carico di impatto o in eventi esplosivi, la resistenza alla resa dell'acciaio aumenta più rapidamente della forza di frattura, spostando la temperatura di transizione verso l'alto. Un acciaio che si comporta duttilmente sotto carico quasistatico può fallire rapidamente sotto carico di impatto alla stessa temperatura.
Stato e contrattazione
Le condizioni di alto vincolo, come quelle riscontrate a tacche, crepe o transizioni geometriche affilate, elevano la tensione idrostatica e promuovono la frattura fragile anche in materiali che altrimenti si comporteranno in modo duttile. Le sezioni spesso creano un maggiore costrizione delle sezioni sottili perché le sollecitazioni a spessore non possono rilassarsi con contrazione laterale.
Taglie e bande di grano Austenite
La granulometria preventiva, stabilita durante l'austenitizzazione prima di quenching, ha un effetto duraturo sulla struttura temperata. I grani austeniti coarse producono pacchetti e lati di martensite di coarser, che forniscono percorsi più lunghi ininterrotti per la propagazione della crepa di cleavage. Inoltre, le pratiche di microstrutturale di banding — gli strati alternativi di ferrite e perlatteri di martensite e martensite ereditano e di roto e di roto e di rotodi ereditano.
Metodi di prova per la trasmissione di duttile-bovini
Test di impatto di Charpy
Il test di impatto Charpy V-notch (CVN) rimane il metodo più usato per caratterizzare la transizione duttile-brittle in acciaio temperato. In questo test, un campione di taglio è colpito da un martello del pendolo, e l'energia assorbita durante la frattura è registrata.
Test di tosse di frattura (KIC, J-Integral, CTOD)
Per applicazioni critiche in cui è richiesta l'analisi quantitativa della meccanica di frattura, gli ingegneri si rivolgono a test di resistenza alla frattura standardizzata. La tenacità della frattura del piano KIC]] misura il fattore di intensità dello stress a cui una crepa tagliente comincia a crescere.
Prova di peso e dinamici dell'informatore
Il test di caduta del peso (ASTM E208) determina la temperatura di transizione della nil-duttilità (NDTT), che è la temperatura sottostante, in cui un campione contenente una piccola frattura del tallone di saldatura completamente quando è stato colpito da un peso in calo.
Test d'impatto strumentale
Il moderno test di impatto strumentale utilizza gli estensimetri e gli accelerometri sull'attaccante Charpy per catturare i dati di carico o dislocamento del carico durante l'evento di frattura. Questa strumentazione separa l'energia assorbita totale in energia di iniziazione (energia necessaria per avviare la crepa) e l'energia di propagazione (energia necessaria per propagare la crepa attraverso il campione).
Esame e interpretazione delle superfici di frattura
Caratteristiche della superficie della frattura del duttile
In microscopia elettroni a scansione (SEM), le superfici di frattura duttile presentano una caratteristica topografia dimplementata. Ogni campione rappresenta il sito di un microvoide che cresce e si carbonizza con vuoti adiacenti.
Caratteristiche della superficie della frattura
Fratture di avvitamento Cleavage mostrano superfici piane e sfaccettate che rappresentano i piani cristallici lungo i quali si propaga la crepa. Le linee di fondo del fiume e del mdash; le linee convergenti che tracciano la direzione di propagazione della crepa locale; l'emanato dal sito di iniziazione di chiodi di fecola e aiutano a identificare dove la frattura ha origine.
Frattura mista-modifica nella regione di transizione
Nelle zone di transizione, le superfici di frattura mostrano una miscela di caratteristiche duttili e fragili. Vicino al lato duttile della transizione, le sfaccettature isolate di scolavaggio appaiono all'interno di una matrice prevalentemente distruttata.
Temper Embrittlement e il suo effetto sul comportamento di transizione
L'embrigliazione del temper è un fenomeno specifico che colpisce l'acciaio temperato e può degradare gravemente la resistenza alla frattura. Si verifica quando l'acciaio è tenuto in o lentamente raffreddato attraverso la gamma di temperatura di 375– 575° C durante il trattamento di temperatura o calore. In questa gamma, gli elementi di impurità come fosforo, antimonio, stagno e segregato arsenico a precedenti confini di resistenza del grano austenite, riducendo il loro
Implicazioni di progettazione e standard di ingegneria
Selezione dei materiali per il servizio a bassa temperatura
Per i componenti che operano a basse temperature, gli ingegneri devono selezionare i gradi di acciaio con una temperatura di transizione duttile-brittle al di sotto della temperatura di servizio minima. Il margine richiesto varia da applicazione e codice. Per i recipienti di pressione, il codice ASME Boiler e il codice di esenzione per pressione richiede test di impatto Charpy a temperatura metallica di progettazione minima (MDMT) per tutti i materiali di tenuta della pressione.
Ottimizzazione del trattamento termico
Il processo di trattamento termico richiede un controllo attento e preciso della resistenza, ma la temperatura di raffreddamento è scelta in base alla combinazione di resistenza e resistenza di destinazione: la temperatura di bassa temperatura, per un'elevata resistenza, con una resistenza moderata, la temperatura di temperatura elevata per una maggiore resistenza e resistenza.
Frattura Meccanica-Based Design
Il metodo di valutazione del guasto (FAD), codificato in standard come BS 7910 e API 579, fornisce un quadro per valutare se un difetto simile a quello del conservatore è accettabile in determinate condizioni di carico e di temperatura. Queste valutazioni richiedono la conoscenza del materiale & rsquo; la durezza della frattura alla temperatura di servizio, che è determinata dalla curva di transizione di scale rilevata difettosa.
Studi di casi e osservazioni pratiche
La nave Liberty fallisce
L'esempio più famoso della transizione duttile-brittle che causava un fallimento catastrofico è la frattura della nave Liberty durante la seconda guerra mondiale. Oltre 200 navi hanno sperimentato fratture fragili, con diverse rotture completamente in due mentre in mare o in porto.
Applicazioni moderne: tubature artiche e strutture offshore
In progetti moderni di pipeline Arctic&de, come quelli in Alaska e nel nord del Canada, l'acciaio della linea di tubi deve presentare un comportamento duttile a temperature inferiori a -40° C. Questi acciai sono prodotti con un contenuto di carbonio ultra-basso (0.03– 0,06% C), microlegando con niobio e vanadio, e laminazione termomeccanica controllata per raggiungere microstrutture finissime con basse temperature di transizione.
Argomenti avanzati in Transizione Ductile-Brittle
Effetti di contrasto e trasferibilità
Test di resistenza alla frattura del laboratorio sono condotti su campioni con un elevato vincolo (crissure profonde e alta triassialità), mentre i componenti strutturali contengono spesso crepe o difetti superficiali con un vincolo inferiore. La trasferibilità dei dati di laboratorio alle applicazioni strutturali richiede la comprensione di come il vincolo influisce sulla durezza della frattura.
Natura statistica della frattura di scolavage
La frattura di fussione nella regione di transizione è intrinsecamente statistica. La probabilità di un sito di iniziazione di cleavage critico esistente all'interno della zona di processo prima di un punto di crepa aumenta con il volume di materiale altamente stressato. Le sezioni di spessore e i componenti più grandi hanno una probabilità maggiore di contenere un difetto critico o un collegamento debole, che porta a una minore tenacità apparente e un cambiamento verso l'alto della temperatura di transizione.
Arresto dinamico del cravatta
Un aspetto importante del controllo della frattura è la capacità di un materiale per arrestare una crepa in esecuzione. La resistenza all'arresto di crack (KIa) descrive la resistenza alla propagazione continua di una crepa dinamica. La temperatura di transizione dell'arresto di crack è tipicamente 20– 30° di propagazione; C inferiore alla temperatura di transizione di iniziazione della crepa per lo stesso materiale.
Conclusioni
La transizione tra i sistemi di controllo e di controllo della temperatura, che si basano su metodi di misurazione, consente di integrare i meccanismi di controllo della qualità e la diffusione delle rotture di acciaio.