Introduzione

I metalli servono come spina dorsale dell'infrastruttura moderna, dalle ali degli aerei e dai telai automobilistici ai vasi di pressione e agli impianti chirurgici. L'integrità meccanica di questi componenti dipende fortemente dalla loro resistenza alla frattura sotto i carichi operativi. Nel corso del secolo scorso, il campo della meccanica di frattura ha rivelato che la presenza di difetti indotti dalla produzione è uno dei fattori più critici che regolano l'iniziazione e la propagazione delle crepe.

Defetti indotti dalla produzione comune

I processi produttivi inevitabilmente introducono una gamma di imperfezioni in componenti metallici. Questi difetti derivano da gradienti termici, inomogeneità chimiche, deformazione meccanica e trasformazioni di fase. Mentre alcuni difetti sono benigni sotto una certa dimensione, altri agiscono come potenti sollevatori di stress che possono innescare guasti prematuri. Le categorie più prevalenti includono porositÃ, inclusioni non metallici, microcrack e irregolarità di confine grano.

Porosità

La porosità si riferisce a vuoti o cavità che si formano durante la solidificazione (casting), saldatura o consolidamento della polvere. Nei getti, la penetrazione del gas e il restringimento durante il raffreddamento producono pori sferici o irregolari. Nelle saldature, il pickup dell'idrogeno può portare a buchi, mentre la mancanza di fusione crea vuoti allungati. La porosità riduce la sezione di fatica del pogrimorfo e crea concentrazioni di stress locali.

Inclusioni non metalliche

Le loro inclusioni sono particelle di ossidi, solfuri, silicati o altri composti che vengono intrappolati nella matrice metallica durante la raffinazione o la solidificazione. Ad esempio, le inclusioni di ossido di alluminio in acciaio sono dure e fragili, mentre le inclusioni di solfuro manganese sono più morbide e più deformabili.

Microcracks e Caldi Cracks

Le crepe che si formano durante la fabbricazione spesso provengono da stress termico o da restringimento di solidificazione. La fessura calda si verifica nella zona di mushy durante la saldatura o la colata quando le sollecitazioni di trazione superano la forza coerente del materiale semi-solido. Queste crepe sono tipicamente intergranular e possono propagarsi durante il raffreddamento successivo.

Debolezze di grano

I difetti a confini di grano includono la segregazione di impurità, la precipitazione di fasi fragili e le esorientazioni locali che creano micro-voidi o cresposi. Ad esempio, la segregazione di zolfo nelle superleghe di nichel-base può causare embrionario di grano. In alcune leghe, l'idrogeno si diffonde ai confini del grano e riduce la forza coessiva, portando alla frattura intermorfare.

Frattura Meccanica Fondamenti

Per quantificare l'effetto dei difetti sulla frattura, gli ingegneri si affidano alla meccanica delle fratture, che fornisce un quadro matematico per la relazione dello stress applicato, della dimensione del difetto e della durezza del materiale.

Concentrazione di stress ai difetti

Ogni discontinuità geometrica – un foro, una tacca o una fessura – eleva lo stress locale sopra lo stress nominale applicato. Il fattore di concentrazione dello stress Kt per un buco ellittico in un piatto infinito è di circa 1 + 2√(a /ρ), dove una è la metà della lunghezza della crepa e ρ è il raggio di radice.

Meccanica di frattura elastica lineare

In LEFM, il campo di stress vicino a una punta di crack è caratterizzato dal fattore di intensità di stress K (unità: MPa√m). Frattura si verifica quando K raggiunge un valore critico K[]Ic], noto come la resistenza di frattura. Il valore K per una determinata geometria è K = Yσ√(πa), dove σ è lo stress applicato, un difetto di lunghezza, e Y è una dimensione di contabilità di Y è una dimensione di Y è una

Meccanica di frattura elastica-plastica

Quando si utilizzano notevoli plasticità, parametri come il J-integral o lo spostamento di apertura della punta di crack (CTOD) sono in grado di influenzare queste misure modificando la distribuzione locale delle ceppi di plastica. Ad esempio, un gruppo di inclusioni strettamente distanziate può creare una regione ad alta pendenza, portando alla carbonizzazione del vuoto a una minore varietà globale.

Influenza delle caratteristiche difetti sulla frattura

Non tutti i difetti sono altrettanto dannosi. La risposta alla frattura dipende da una combinazione di attributi difetti e proprietà materiali.

Dimensioni e forma difetti

Difetti più grandi generalmente abbassano lo stress critico per la frattura, seguendo il rapporto di radice quadrata inversa di LEFM. Le questioni di forma: un poro sferico con raggio r ha un fattore di concentrazione di stress di circa 2, mentre un difetto di crack allungato con lunghezza 10r e raggio di punta 0.1r può avere KtΔ]]] superando 10. Pertanto, i difetti taglienti sono molto più pericolosi.

Distribuzione e clustering del difetto

Due pori adiacenti o inclusioni possono creare un campo di stress locale che viene amplificato oltre la somma dei loro contributi individuali, accelerando la carbonescenza delle crepe. Ciò è particolarmente critico nei metalli additivamente fabbricati, dove i difetti di mancanza di diffusione spesso formano array lineari.

Proprietà dei materiali e modalità Frattura

In metalli duttili, i difetti causano formazione e crescita micro-voidale, che culminano in rottura dimplementata. Qui, le inclusioni sono spesso i siti di iniziazione del vuoto. La frazione di volume delle inclusioni colpisce direttamente il tasso di crescita del vuoto e la deformazione della frattura. In contrasto, la frattura della fragilità (cleavage) è controllata dalle dimensioni dei difetti che possono innescare la propagazione instabile.

Studi e esempi di casi

Negli anni '60, gli aerei de Havilland Comet hanno sperimentato guasti di fusoliera catastrofica a causa di fessure di fatica che iniziavano a angoli affilati intorno a aperture di finestra - un difetto indotto dal design. Più recentemente, leghe di titanio utilizzate nei motori a getto hanno fallito inclusioni "dure alfa" (regioni ricche di azoto) che si formano durante la colata.

Un altro esempio è il fallimento di un disco a turbina a vapore ad alta pressione presso un impianto di potenza nel 1989, che in seguito è stato attribuito a un difetto di forgiatura – un microcrack che è cresciuto da striscia-fatigue. L'incidente ha sottolineato la necessità di un controllo non distruttivo di componenti rotanti critici. Nel settore automobilistico, le teste a cilindro in alluminio possono contenere la porosità da colata di sabbia; se i pori superano 0.2 mm, possono causare perdite di petrolio e ridurre la resistenza a costi di resistenza a costi di calore.

Strategie di mitigazione

Affrontare l'influenza dei difetti di fabbricazione sulla frattura comporta un approccio multi-pronged: riduzione alla fonte, modifica dello stato di difetto e design robusto che tollera imperfezioni.

Ottimizzazione dei processi

Nel colata, degassamento sottovuoto e solidificazione controllata minimizzare la porosità del gas e la porosità del restringimento. Nei processi di saldatura, preriscaldamento, temperatura interpass controllata e selezione di metalli di riempimento corretta impediscono la cracking dell'idrogeno e la crepatura calda.

Trattamento termico e sollievo da stress

I trattamenti termici post-manufacturing servono molteplici funzioni: possono alleviare le tensioni residue, sciogliere i precipitati nocivi e affinare la struttura del grano. L'affannamento, la normalizzazione e la tempra antistress riducono la forza di guida per la propagazione delle crepe. Nelle leghe indurite, i ferri sovra-invecchiamento possono migliorare la resistenza della frattura a spese di una certa zona di resistenza.

Tecniche di valutazione non distruttive

La radiografia (tomografia a raggi X e tomografia calcolata) rivela la porosità e l'inclusione interna. La test a ultrasuoni (UT) può rilevare crepe planari e delammi con elevata sensibilità. I metodi attuali eddy sono efficaci per la riduzione delle crepe in materiali conduttivi.

Controllo frattura e progettazione di tolleranza damaggia

Invece di puntare a materiali privi di difetto (che spesso è impossibile o non economico), il design di tolleranza di danno accetta la presenza di piccoli difetti e assicura che non cresceranno a una dimensione critica all'interno della vita di servizio. Questo approccio, utilizzato nelle industrie aeronautiche e nucleari, richiede robusti dati di crescita della crepa e ispezioni periodiche.

Conclusioni

I difetti indotti dal manifatturiero sono inevitabili in una certa misura, ma la loro influenza dannosa sul comportamento delle fratture può essere gestita attraverso una profonda comprensione della meccanica sottostante e l'applicazione di misure di controllo rigorose.

Riferimenti esterni[]