Valutazione dell'impatto dell'intaglio sul comportamento di rottura a trazione dei metalli

Nel processo di fusione e formatura, i materiali metallici producono inevitabilmente difetti interni come inclusioni e segregazione, che possono causare discontinuità nella struttura interna.

Inoltre, la forma dei gradini delle scanalature, dei fori di posizionamento, dei bordi e degli angoli dei componenti meccanici e delle apparecchiature può influire sulla continuità della struttura superficiale esterna dei pezzi.

Le discontinuità strutturali possono portare alla concentrazione di sollecitazioni in posizioni locali dei componenti durante l'uso. Tali strutture sono spesso considerate "tacche" in ingegneria.

Questi intagli causano una concentrazione di tensioni nei materiali e modificano lo stato di sollecitazione e deformazione della radice dell'intaglio. Ad esempio, durante il processo di trazione, lo stato di sollecitazione alla radice dell'intaglio passa da una tensione unidirezionale a una tensione bidirezionale o tridirezionale, e la deformazione plastica in prossimità della punta dell'intaglio è notevolmente limitata.

L'influenza degli intagli sul comportamento a frattura dei materiali varia a causa della diversa plasticità dei materiali. Tuttavia, pochi studiosi confrontano direttamente il comportamento alla frattura di campioni intagliati di diversi materiali plastici metallici.

I ricercatori hanno quindi condotto test di trazione su tre diversi tipi di plastica. materiali metallici per confrontare la resistenza alla trazione e la morfologia di frattura dei campioni con intaglio. Questo studio mira a comprendere l'impatto degli intagli sulla resistenza alla trazione e sul comportamento alla frattura di diversi materiali plastici.

1. Metodo di prova

Il test ha impiegato tre tipi di metallo materiali, ovvero acciaio 10CrNi3MoV, lega di alluminio 5083 e ferro duttile 500-7, ciascuno con diversi livelli di plasticità.

In base ai requisiti tecnici stabiliti nella sezione Metodo di prova a temperatura ambiente di Materiali metallici Prove di trazione Parte 1 (GB/T 228.1-2010), sono stati elaborati campioni di prova di trazione cilindrici R4 e al centro della sezione parallela di ciascun campione è stato praticato un intaglio a forma di V.

L'angolo di intaglio era di 60°, il raggio della punta dell'intaglio era di 0,1 mm e il diametro della radice D dell'intaglio era di 6 mm, 8 mm o 10 mm (con le corrispondenti profondità di intaglio di 2 mm, 1 mm e 0 mm, rispettivamente, e un campione liscio senza intaglio).

Per la forma e le dimensioni del provino di trazione, fare riferimento alla Figura 1.

Fig. 1 Forma e dimensioni del provino di trazione

Per eseguire la prova di trazione è stata utilizzata una macchina di prova universale elettronica alla velocità di 1 mm/min. La Tabella 1 mostra i risultati delle prove di trazione eseguite su campioni lisci dei tre materiali.

Dalla tabella si evince che esiste una differenza significativa nell'allungamento dopo frattura A dei tre materiali. In particolare, l'allungamento dopo frattura dell'acciaio 10CrNi3MoV è maggiore di quello della lega di alluminio 5083 e della ghisa sferoidale 500-7.

La tabella 2 presenta la resistenza alla trazione dei campioni lisci e intagliati dei tre materiali. Dalla tabella si evince che la resistenza alla trazione dei campioni intagliati di acciaio 10CrNi3MoV e di lega di alluminio 5083 è superiore a quella dei campioni lisci, mentre la resistenza alla trazione dei campioni intagliati di ghisa duttile 500-7 è inferiore a quella dei campioni lisci.

Tabella 1 Proprietà di trazione dei campioni lisci di tre materiali

Tabella 2 Resistenza alla trazione dei provini lisci e dei provini dentellati dei tre materiali

2. Risultati del test

2.1 Resistenza alla trazione

La Figura 2 mostra le curve di profondità dell'intaglio della resistenza alla trazione di tre diversi materiali.

Come dimostrato nella Figura 2, la resistenza alla trazione dell'acciaio 10CrNi3MoV e della lega di alluminio 5083 aumenta con l'aumentare della profondità dell'intaglio.

In particolare, l'aumento nell'acciaio 10CrNi3MoV è maggiore di quello nella lega di alluminio 5083.

Ad esempio, con una profondità di intaglio di 2 mm, la resistenza alla trazione del primo è 1,74 volte quella del campione liscio, mentre quella del secondo è 1,31 volte.

Tuttavia, per la ghisa duttile 500-7, la relazione tra resistenza alla trazione e profondità dell'intaglio è opposta a quella dell'acciaio 10CrNi3MoV e della lega di alluminio 5083.

In altre parole, la resistenza alla trazione diminuisce con l'aumentare della profondità dell'intaglio.

Con una profondità di intaglio di 2 mm, la resistenza alla trazione è 0,92 volte quella del campione liscio.

Fig. 2 Curva di relazione tra resistenza alla trazione e profondità dell'intaglio di diversi campioni di metallo plastico

2.2 Morfologia della frattura

La Figura 3 mostra la macro morfologia delle superfici di frattura di entrambi i campioni di acciaio 10CrNi3MoV liscio e di quelli intagliati a varie profondità.

Come illustrato, la superficie di frattura del campione liscio presenta la tipica forma a cono di coppa. Questo campione dimostra anche una buona plasticità, con un allungamento dopo la frattura di 27,5% e una riduzione dell'area di 78,1%.

Al contrario, il provino con intaglio ha subito un distacco e la riduzione dell'area è stata di 33% per il provino con una profondità di intaglio di 2 mm.

Fig. 3 Macromorfologia del provino liscio e del provino con intaglio dell'acciaio 10CrNi3MoV

All'aumentare della profondità dell'intaglio, l'area del labbro di taglio sul bordo di frattura diminuisce gradualmente, mentre l'area della fibra centrale aumenta gradualmente.

Con una profondità di intaglio di 2 mm, l'area centrale della fibra rappresenta 90% dell'area totale, come mostrato nella Fig. 4a.

La Fig. 4b mostra la morfologia al SEM della regione indicata dalla freccia nella Fig. 4a.

La figura illustra che l'area della fibra nel nucleo del campione presenta un modello di frattura a fossette con caratteristiche tipiche delle fratture da trazione. Ciò indica che la posizione di partenza del campione di trazione è nell'area centrale del campione.

Fig. 4 Morfologia al SEM della superficie di frattura del provino con profondità di intaglio di 2 mm di acciaio 10CrNi3MoV

Le figure 5 e 6 mostrano la morfologia macro e SEM delle superfici di frattura dei campioni di lega di alluminio 5083, compresi i campioni lisci e intagliati.

Le superfici di frattura dei campioni lisci presentano le tipiche caratteristiche di frattura per rottura a taglio a 45°, con alcune deformazioni assiali e necking. L'allungamento dopo la frattura è di 16,4% e la riduzione dell'area è di 21,7%, come illustrato nella Fig. 5a.

Il campione con una profondità di intaglio di 1 mm ha un carico di frattura di 20,00 kN, superiore di 13,74 kN al carico di snervamento del campione liscio, il che indica una chiara deformazione plastica sulla superficie di frattura.

La superficie di frattura è seghettata e mostra una certa direttività, con l'innesco della cricca in corrispondenza dell'intaglio del bordo. La parte principale vicino alla posizione di innesco della cricca mostra una frattura a fibre, mentre l'area seghettata è costituita da una frattura a fibre e da una frattura a taglio a 45°, come illustrato nelle Fig. 5b e Fig. 6a.

Inoltre, sono visibili chiare zone di rottura a taglio e zone di fibre con normali caratteristiche di rottura a trazione, come dimostrato nelle Fig. 6b e Fig. 6c.

Nel caso del provino con una profondità di intaglio di 2 mm, il carico di rottura è di 12,83 kN, inferiore al carico di snervamento del provino liscio. La riduzione dell'area è quasi nulla e la superficie di frattura è principalmente fibrosa, come illustrato nelle Fig. 5c, Fig. 6d e Fig. 6e. Solo i bordi mostrano evidenti aree di rottura a taglio, come mostrato nella Fig. 6e.

Fig. 5 Macro morfologia del campione liscio e del campione con intaglio della lega di alluminio 5083

Fig. 6 Morfologia al SEM del campione con intaglio in lega di alluminio 5083

La Fig. 7 illustra la macro morfologia dei campioni lisci e intagliati di ghisa duttile 500-7, nonché la morfologia SEM della frattura del campione liscio.

Il campione liscio presenta una certa deformazione plastica senza alcun apparente scollamento, con una riduzione dell'area di 7,4%, come mostrato nella Fig. 7a);

Il provino intagliato, invece, non mostra quasi nessuna riduzione dell'area e nessuna deformazione plastica, come illustrato nelle Fig. 7b) e Fig. 7c);

Non vi è alcuna differenza significativa tra le superfici di frattura dei campioni lisci e di quelli dentellati, che presentano entrambi una fenditura, indicativa di una frattura fragile.

La Fig. 7d) illustra la morfologia di scissione dei campioni lisci.

Fig. 7 Macro morfologia e morfologia di frattura al SEM del campione di trazione in ghisa duttile 500-7

3. Analisi e discussione

La presenza di un intaglio fa sì che lo stato di sollecitazione uniassiale uniforme si trasformi in uno stato di sollecitazione triassiale non uniforme durante il processo di trazione, con conseguente evidente concentrazione di sollecitazioni alla radice dell'intaglio. L'intaglio, inoltre, restringe la punta e ne limita la deformazione.

A causa della diversa plasticità dei materiali, gli intagli possono causare diversi gradi di concentrazione delle sollecitazioni e di legame durante l'intero processo di deformazione plastica, con conseguenti effetti diversi sulla resistenza alla trazione dei diversi materiali.

L'acciaio 10CrNi3MoV ha una buona plasticità e il provino liscio ha una buona capacità di deformazione laterale e assiale. Sebbene i provini intagliati subiscano l'effetto di vincolo dell'intaglio, durante il processo di trazione si verifica comunque una deformazione plastica che può attutire la concentrazione di tensioni causata dall'intaglio.

La posizione di innesco della cricca per i provini di trazione con diverse profondità di intaglio si trova al centro del provino, dove c'è un'ampia zona di fibre che presenta caratteristiche normali di frattura a trazione con una frattura a fossetta. Quando la sollecitazione assiale al centro supera la normale resistenza a trazione del materiale stesso, il provino si rompe. A causa del vincolo dell'intaglio, la deformazione plastica tangenziale contribuisce meno al rilascio delle sollecitazioni e il livello di sollecitazione dell'intero piano di frattura è molto elevato quando si verifica la frattura.

Durante il processo di innesco della cricca e di espansione verso l'esterno, l'intera frattura presenta una frattura a fossetta causata dal superamento della normale resistenza alla trazione, con solo un piccolo numero di labbri di taglio sul bordo, caratterizzato da una frattura tangenziale.

La superficie di frattura del provino liscio in lega di alluminio 5083 è una tipica frattura a taglio a 45° con una certa deformazione assiale e un'incrinatura. Quando l'intaglio del campione è di 1 mm, la posizione di innesco della cricca è sul bordo del campione.

Durante la prova di trazione, se la sollecitazione supera la tensione di snervamento, inizia a verificarsi una deformazione di taglio con un angolo di 45° in prossimità dell'intaglio del campione e la frattura continua a ridursi durante la prova. La deformazione di taglio si verificherà in tutta la sezione dell'intaglio nella direzione di 45°, causando il rilascio della tensione nel punto in cui si verifica la deformazione di taglio.

Tuttavia, a causa della concentrazione delle sollecitazioni in prossimità della punta dell'intaglio e dell'impossibilità di produrre una grande quantità di deformazione di taglio, la sollecitazione assiale aumenta gradualmente.

Quando il carico sul bordo dell'intaglio supera la resistenza alla frattura, si verifica una rottura normale locale a trazione dal bordo e la sollecitazione assiale viene successivamente trasmessa all'intera frattura.

Durante il processo di propagazione della frattura, il provino si danneggia lungo la parte che ha subito una deformazione a taglio di 45°, formando una frattura dentellata.

Per un provino con un intaglio di 2 mm, la posizione di innesco della cricca si trova alla giunzione delle deformazioni plastiche ed elastiche della sezione dell'intaglio.

Poiché la tensione al momento della frattura per il provino dentellato non supera la tensione di snervamento, il provino non subisce un'ampia area di deformazione nella direzione di taglio a 45°.

Quando la sollecitazione alla radice dell'intaglio supera la tensione di snervamento del campione, si verifica una piccola deformazione plastica dovuta alla concentrazione delle sollecitazioni.

Tuttavia, a causa dell'effetto vincolante dell'intaglio e delle caratteristiche di movimento del sistema di scorrimento in lega di alluminio, il campione non può subire una deformazione plastica significativa in direzione radiale e la zona di deformazione plastica non può estendersi al centro del campione. Di conseguenza, la forza massima è sopportata alla giunzione della zona di deformazione plastica e della zona di deformazione elastica.

Se la forza massima supera la resistenza alla frattura del materiale, si verifica una rottura per tensione normale in corrispondenza della forza massima, che si estende all'intera sezione dell'intaglio. La superficie di frattura presenta una forma a fossetta con caratteristiche di frattura a tensione normale.

D'altra parte, la superficie di frattura del campione liscio di ghisa duttile 500-7 appare piatta, perpendicolare alla direzione dello sforzo e con chiare caratteristiche di fragilità. Il campione liscio subisce una certa deformazione assiale e radiale durante il processo di trazione, che deriva dalla massima sollecitazione di taglio.

I provini con intaglio producono una concentrazione di tensioni sul bordo e la sollecitazione nel processo di trazione raggiunge prima la resistenza alla frattura, causando l'inizio della fessurazione del provino che si espande rapidamente all'intera sezione.

A causa dello stato di vincolo dell'intaglio e della tendenza alla fragilità del materiale, la capacità del provino di alleviare la concentrazione di tensioni in prossimità dell'intaglio attraverso la deformazione plastica è scarsa. Pertanto, lo sforzo normale del provino dall'intaglio al centro sarà significativamente diverso.

In generale, le discontinuità di forma portano a concentrazioni di sollecitazioni.

Nei materiali fragili, la concentrazione delle sollecitazioni può causare la frattura prematura del provino, con conseguente diminuzione della resistenza.

Con l'aumentare della profondità dell'intaglio, la concentrazione delle sollecitazioni alla radice diventa maggiore, con conseguente frattura anticipata del provino e una minore resistenza alla trazione.

Tuttavia, il materiale plastico sulla punta dell'intaglio può alleviare la concentrazione delle sollecitazioni subendo un certo grado di deformazione plastica e ridistribuendo le sollecitazioni lungo la sezione dell'intaglio.

Sulla base del terzo teoria della forzaLa massima sollecitazione di taglio è il fattore principale che porta alla deformazione plastica e al cedimento dei materiali, mentre la sollecitazione normale è di gran lunga inferiore alla massima sollecitazione normale che può causare la frattura e il cedimento del materiale.

Nei provini intagliati, lo stato di legame limita la deformazione del materiale lungo la direzione della massima sollecitazione di taglio, facendo cambiare la modalità di frattura da taglio a trazione e aumentando di conseguenza la resistenza alla trazione.

Per i materiali con una migliore plasticità, la deformazione plastica può determinare una distribuzione più uniforme delle sollecitazioni sull'intero intaglio e la sezione in cui si trova l'intaglio diventa più vicina alla resistenza teorica alla trazione del materiale, determinando un aumento più significativo della resistenza alla trazione.

La resistenza alla trazione del provino intagliato di acciaio 10CrNi3MoV è significativamente superiore a quella del provino liscio. Tuttavia, se la plasticità è insufficiente o il vincolo dell'intaglio è significativo e la deformazione non può estendersi al centro, la sezione dell'intaglio può essere distrutta alla giunzione tra deformazione elastica e plastica.

Alcune delle forze di interfaccia rimangono nella zona elastica prima della frattura. Di conseguenza, la resistenza alla trazione del provino con intaglio della lega di alluminio 5083 è superiore a quella del provino liscio, ma l'aumento è inferiore a quello dell'acciaio 10CrNi3MoV.

Inoltre, quanto più profondo è l'intaglio, tanto minore è la deformazione plastica che può consentire al nucleo del provino di raggiungere la resistenza a trazione teorica. Di conseguenza, la resistenza in prossimità dell'intaglio diminuisce meno, portando a un aumento della resistenza a trazione del provino intagliato.

4. Conclusione

(1) L'intaglio provoca la concentrazione delle sollecitazioni nei materiali sotto sforzo.

Nei materiali che presentano una buona plasticità, la concentrazione delle sollecitazioni nella sezione dell'intaglio può essere alleviata mediante la deformazione plastica della punta dell'intaglio. Questo processo aiuta a distribuire uniformemente le sollecitazioni senza compromettere la resistenza del materiale.

Tuttavia, per i materiali fragili, la punta dell'intaglio ha una capacità di deformazione plastica limitata, che rende difficile alleviare efficacemente la concentrazione di tensioni. Di conseguenza, la concentrazione di tensioni può portare a un cedimento locale del materiale, che può poi diffondersi nell'intera sezione, riducendo in ultima analisi la resistenza complessiva del materiale.

(2) L'intaglio modifica lo stato di sollecitazione e la modalità di frattura dei materiali plastici durante la deformazione.

La sollecitazione di frattura dei materiali plastici passa dalla sollecitazione di taglio alla sollecitazione normale, facendo sì che la modalità di frattura passi dalla frattura di taglio alla rottura a trazione normale assiale. Ciò significa che gli intagli aumentano tipicamente la tensione di trazione. resistenza dei materialie quanto più elevata è la plasticità, tanto maggiore è la percentuale di rottura normale a trazione e tanto più evidente è l'aumento della resistenza a trazione.

Tuttavia, per i materiali fragili, l'effetto della concentrazione delle tensioni di intaglio porta a un gradiente significativo di sollecitazione normale dalla radice dell'intaglio al centro del campione durante la frattura. Di conseguenza, una microfrattura si formerà inizialmente alla radice e si propagherà rapidamente verso il centro, portando a una riduzione della resistenza alla trazione senza un cambiamento nella modalità di frattura.