Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

ÎNCERCAREA DE ÎNCOVOIERE PRIN SOC

1. PRINCIPIUL LUCRĂRII

            Comportarea la rupere a unui material, în conditiile unei viteze mari de solicitare, a

unei temperaturi si stari de tensiune date, se pune în evidenta prin încercari dinamice la care

aplicarea unui singur ciclu de solicitare se face cu viteza foarte mare (soc). Aceste încercari

sunt încercari distructive si constau în ruperea dintr-o singura data a epruvetelor de că

626u2014g ;tre o masa aflata în miscare de rotatie sau de cadere libera si în determinarea

energiei consumate pentru ruperea lor.Cea mai raspândita este încercarea de încovoiere prin

soc, denumita si încercarea de rezilienta.

A. PRINCIPIUL INCERCARII: EPRUVETEI

            Încercarea consta în ruperea dintr-o singura lovitura, cu un ciocan pendul, a unei

epruvete prevazuta la mijloc cu o crestatura, epruveta asezata liber pe doua reazeme.

Figura 4.1.

 Pentru executarea încercarii se utilizeaza epruvete cu crestatura în U sau în V , având

dimensiunile prezentate în tabelul 4.1, conform STAS 1400 si STAS 7511.

1

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

B. UTILAJ UTILIZAT

    Încercarea se executa pe o masina tip pendul (ciocan Charpy) a carei schema de principiu

este prezentata în figura 4.2. Se poate demonstra usor, folosind legea conservarii energiei, ca

energia consumata la rupere L este, cu notatiile din figura 4.2, data de relatia:

            L = mg (cos a - cos b)            (1)

unde g este acceleratia gravitationala.

            Dezavantajul principal al ciocanelor de tip pendul consta în faptul ca viteza de lovire

este limitata si constanta pentru un anumit utilaj.

C. EXPRIMAREA REZULTATELOR

            În baza standardelor românesti, rezultatele încercarii de încovoiere prin soc se exprima

astfel:

            - la încercarea pe epruvete cu crestatura în U se defineste rezilienta (KCU) prin

raportul:

               în J/cm2  (2)

2

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

unde A este aria sectiunii transversale în dreptul crestaturii.

            Indicii reprezinta: W0 - energia potentiala initiala a ciocanului pendul, h si b

caracteristicile geometrice ale epruvetei.

            - la încercarea pe epruvete cu crestatura în V, rezultatele se exprima sub forma

energiei consumate la rupere   în J.

           Observatii:

            1) Rezultatele încercarii de încovoiere prin soc, obtinute pe cele doua tipuri de

epruvete, sunt diferite, depinzând de tipul crestaturii. Nu exista o metoda generala de

conversiune a acestora (de exemplu în STAS R 10025 se da un tabel comparativ rezilienta -

energie consumata la rupere care este valabil numai pentru otelurile carbon si slab aliate, în

conformitate cu STAS R 7171).

            2) Încercarea de încovoiere prin soc da o caracteristica complexa (rezilienta, respectiv

energia consumata la rupere), care ia în considerare atât tenacitatea cât si rezistenta

materialului. Scopul acestei încercari este de a determina comportarea materialului la rupere

sub efectul simultan al unei viteze mari de solicitare si al prezentei concentratorilor de

tensiuni. Încercarea este una dintre cele mai severe si conventionale, valorile caracteristicilor

obtinute neputând fi utilizate în calculele de proiectare, dar ele constituind cifre de calitate

obligatorii pentru un material.

            Se apreciaza ca:

            - încercarea pe epruvete cu crestatura în V reflecta capacitatea materialului de a se

opune propagarii fisurii;

            - încercarea pe epruvete cu crestatura în U reflecta capacitatea materialului de a se

opune initierii si propagarii fisurii.

3

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

Figura 4.3. 

    3) Pentru metalele si aliajele cu retea cristalina CVC (oteluri carbon si slab aliate, oteluri

feritice si martensitice) încercarea de încovoiere prin soc devine mai semnificativa în cazul în

care este condusa de-a lungul unui domeniu de temperaturi.

            La aceste materiale, cu scaderea temperaturii se observa o scadere brusca a rezilientei

(vezi figura 4.3). Pe aceasta cale se poate determina temperatura de tranzitie, folosindu-se

drept criteriu de trecere în domeniul comportarii fragile temperatura la care rezilienta scade

sub o anumita valoare, stabilita experimental (de exemplu pentru oteluri KCU =35 J/cm2).

 

           Comportarea la rupere a unui material este dependenta de tenacitatea lui.Apreciind deci

tenacitatea unui material, se pot obtine indicatii privind susceptibilitatea lui la rupere fragila

(când tenacitatea este scazuta). Cifrele obtinute la încercarea de încovoiere prin soc sunt cifre

pe baza carora se poate evalua tenacitatea materialelor.Tendinta actuala este de a se lua în

considerare si aspectul macroscopic al sectiunii de rupere. La o epruveta încercata la

încovoiere prin soc, sectiunea de rupere prezinta doua zone distincte (vezi figura 4.4):

            - zona I, centrala, cu aspect cristalin, grauntos si stralucitor datorat ruperii de tip fragil;

            - zona 2, cu aspect fibros, mat, datorita deformatiilor prealabile ruperii, consecinta,

deci a ruperii plastice.

4

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

Figura 4.4 Stabilirea fibrozitatii si cristalinitatii

 Pentru aprecierea tenacitatii, respectiv fragilitatii în STAS 10026 se definesc notiunile:

 - cristalinitate Cr, ca raport dintre aria suprafetei de rupere cu aspect cristalin, stralucitor, Ar,

si aria sectiunii epruvetei, A0;

- fibrozitatea Fb, ca raport dintre aria suprafetei de rupere cu aspect mat, fibros, Ab, si aria

sectiuni epruvetei, A0. În acelasi standard sunt prezentate scari etalon pentru aprecierea

caracterului tenace al ruperii pe baza aspectului suprafetei de rupere al unor epruvete 10 X 10

din otel, cu crestatura în U sau în V de adâncime 2 mm;

          2. CONŢINUTUL SI SCOPUL LUCRĂRII

                Lucrarea va cuprinde:

            - studierea principiilor teoretice si deprinderea modului de lucru cu ciocanul pendul

pentru încercarea de rezilienta;           

            - încercarea la rezilienta pe epruvete din acelasi material dar de tipuri diferite: cu

crestatura în U si în V si pe epruvete de acelasi tip din acelasi material, dar prelevate dupa

directii diferite (pentru a se evidentia anizotropia proprietatilor în cazul semifabricatelor

obtinute prin deformare plastica la cald).

Scopul 1ucrarii este îmbogatirea cunostintelor teoretice ale studentilor si familiarizarea cu

elementele de lucru practic, necesare efectuarii încercarii de rezilienta si interpretarii

rezultatelor.

5

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

3. APARATURA SI MATERIALE FOLOSITE. MODUL DE LUCRU

            Pentru efectuarea încercarii se utilizeaza ciocanul pendul având m = 18,750 Kg, l =

0,85 m, dimensiuni ce corespund unei energii potentiale initiale de 300 J.

            Se va efectua încercarea pe epruvete cu crestatura în U si în V cu dimensiunile

standardizate 10 x 10 x 55 mm.

            Pentru fiecare încercare se calculeaza urmatoarele:

            - energia consumata la rupere cu relatia (1) si se compara cu valoarea citita direct pe

cadran;

            - caracteristica pentru fiecare tip de epruveta, KCU cu relatia (2) sau KV;

            - cristalinitatea si fibrozitatea. 

Datele obtinute la încercare si în urma calculelor se trec într-un tabel de forma celui de

mai jos.

Ruperea materialelor metalice

Ruperea este fenomenul de fragmentare a unui material (unei piese) în două sau mai

multe părţi sub acţiunea unei stări de tensiuni mecanice.Ruperile materialelor (pieselor)

metalice se pot clasifica folosind mai multe criterii:

a) modul cristalografic de rupere;

b) aspectul ruperii;

c) mărimea deformaţiilor plastice care preced ruperea.

Mărimea deformaţiilor plastice care preced ruperea este criteriul care consideră fenomenul de

rupere la scară macroscopică; după acest criteriu ruperile se încadrează în două categorii:

ruperi fragile, precedate de deformaţii plastice nesemnificative şi care se propagă cu viteze

foarte mari şi ruperi ductile, caracterizate prin deformaţii plastice apreciabile produse

înaintea şi în timpul realizării fenomenelor de rupere. Categoriile de clasificare a ruperilor

materialelor (pieselor) metalice sunt net corelate; astfel, ruperile fragile se produc prin clivaj

(smulgere), au propagare intercristalină (prin limitele cristalelor care alcătuiesc structura

6

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

materialului) sau transcristalină (prin grăunţii cristalini care compun structura materialului) şi

prezintă aspect cristalin - strălucitor, iar ruperile ductile se produc prin forfecare,(v. fig. 3.8)

au, de obicei, propagare transcristalină şi prezintă aspect fibros.

Comportarea fragilă sau ductilă la rupere nu este întotdeauna o însuşire intrinsecă a

fiecărui material metalic (o însuşire dependentă numai de compoziţia chimică şi de

caracteristicile structurale ale materialului). Comportarea la rupere poate fi influenţată esenţial

de factorii ce descriu condiţiile solicitării mecanice care determină ruperea:

a) temperatura materialului în timpul solicitării;

b) viteza de solicitare (viteza de aplicare a sarcinilor şi/sau viteza de deformare

a materialului);

c) gradul de triaxialitate al stărilor de tensiuni generate în

materialul supus solicitării, dependent de complexitatea solicitării şi de

prezenţa în material a concentratorilor de tensiuni.

Complexitatea unei solicitări mecanice este determinată de modul în care acţionează

sarcinile (forţele) care o produc şi de tipul efectelor (simple sau combinate) de deformare

realizate (întindere, compresiune, încovoiere, forfecare, torsiune etc.), iar concentratorii de

tensiuni sunt discontinuităţi ale materialului (orificii, crestături, zgârieturi, incluziuni, fisuri

etc.) care determină creşteri locale ale intensităţii tensiunilor generate de solicitările mecanice.

De obicei, se consideră ca factor principal temperatura materialului în timpul

solicitării, iar pragul caracteristic corespunzător acestui factor este denumit temperatură de

tranziţie ductil - fragil , (dacă temperatura materialului solicitat mecanic este t > ttr,

comportarea sa la rupere este ductilă, iar dacă temperatura materialului coboară la t < ttr

7

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

materialul prezintă o comportare fragilă la rupere). Influenţele celorlalţi doi factori se iau în

considerare prin modificările pe care le produc valorii temperaturii de tranziţie; astfel, mărirea

vitezei de solicitare (solicitarea dinamică sau prin şocuri) şi/sau creşterea gradului de

triaxialitate al stărilor de tensiuni (datorită complexităţii solicitării mecanice sau prezenţei

concentratorilor de tensiuni) determină tendinţa oricărui material metalic spre o comportare

fragilă la rupere şi produce creşterea temperaturii de tranziţie a materialului respectiv

(extinderea domeniului de temperaturi în care materialul manifestă o comportare fragilă la

rupere şi, ca urmare, restrângerea domeniului de temperaturi în care comportarea la rupere a

materialului este ductilă).

Ruperea fragilă este un fenomen greu de diagnosticat (prognozat), care se produce

intempestiv , se propagă cu viteze foarte mari (instabil) şi poate avea urmări catastrofale, în

timp ce ruperea ductilă este un fenomen uşor de detectat, care se produce stabil, după

epuizarea capacităţii de deformare plastică a materialului metalic supus solicitărilor mecanice.

Ca urmare, la proiectarea pieselor metalice destinate aplicaţiilor tehnice se pune condiţia ca

materialul metalic ales pentru confecţionarea acestora să prezinte o comportare ductilă la

rupere pe tot domeniul temperaturilor de exploatare (utilizare) a lor; astfel, dacă domeniul

temperaturilor de exploatare a pieselor are limita inferioară temin, materialul metalic din care

se realizează acestea trebuie să prezinte o temperatură de tranziţie ductil-fragil ttr, care să

asigure îndeplinirea condiţiei:

8

Inflenta concentratorilor asupra starii de tensiune din elementele de constructii

Bibliografie

1. Flinn A. R., Trojan K. P., Engineering materials and their applications,

Houghton Mifflin Company, Dallas Geneva, Illinois, 1986.

2. Geru N., Teoria structurală a proprietăţilor metalelor, Editura Didactică

şi

Pedagogică, Bucuresti, 1980.

3. Mocanu D.R., Safta V. ( coordonatori), Incercarea materialelor.

Incercări

distructive ale metalelor, vol. I, Editura Tehnică, Bucureşti, 1986.

4. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers,

Macmillan Publishing Company, New York, 1991.

5. Zecheru Gh. Drăghici Gh. Elemente de ştiinţa şi ingineria materialelor ,

vol. 1, Ed. ILEX şi Ed. UPG Ploiesti, 2001.

9