No processo de fundição e conformação, os materiais metálicos produzem inevitavelmente defeitos internos, como inclusões e segregação, que podem resultar na descontinuidade da estrutura interna.
Além disso, o formato das etapas da ranhura, o posicionamento dos furos, bordas e cantos em componentes mecânicos e de equipamentos também podem afetar a continuidade da estrutura da superfície externa das peças.
A descontinuidade estrutural pode levar à concentração de tensões nas posições locais das peças durante o uso. Tais estruturas são frequentemente consideradas “entalhes” na engenharia.
Esses entalhes causam concentração de tensão nos materiais e alteram o estado de tensão e deformação da raiz do entalhe. Por exemplo, durante o processo de tração, o estado de tensão na raiz do entalhe muda de tensão unidirecional para tensão bidirecional ou de três vias, e a deformação plástica perto da ponta do entalhe é significativamente restringida.
A influência dos entalhes no comportamento de fratura dos materiais difere devido à variação da plasticidade dos materiais. No entanto, poucos estudiosos comparam diretamente o comportamento de fratura de amostras entalhadas de diferentes materiais plásticos metálicos.
Assim, os pesquisadores realizaram testes de tração em três materiais plásticos metálicos diferentes para comparar a resistência à tração e a morfologia da fratura de amostras entalhadas. Este estudo tem como objetivo compreender o impacto dos entalhes na resistência à tração e no comportamento à fratura de diferentes materiais plásticos.
1. Método de teste
O teste empregou três tipos de materiais metálicos, nomeadamente aço 10CrNi3MoV, liga de alumínio 5083 e ferro dúctil 500-7, cada um com diferentes níveis de plasticidade.
Seguindo os requisitos técnicos estipulados na seção Método de teste de temperatura ambiente do Teste de tração de materiais metálicos Parte 1 (GB/T 228.1-2010), amostras de teste de tração cilíndricas R4 foram processadas e um entalhe em forma de V foi feito no centro do paralelo seção de cada amostra.
O ângulo do entalhe foi de 60°, o raio da ponta do entalhe foi de 0,1 mm e o diâmetro da raiz D do entalhe foi de 6 mm, 8 mm ou 10 mm (com profundidades de entalhe correspondentes de 2 mm, 1 mm e 0 mm, respectivamente, e uma amostra lisa sem entalhes).
Consulte a Figura 1 para obter a forma e as dimensões da amostra de tração.
Fig. 7 Macro morfologia e morfologia SEM de fratura da amostra de tração de ferro dúctil 500-7
3. Análise e discussão
A presença de um entalhe faz com que um estado de tensão uniaxial uniforme se transforme em um estado de tensão triaxial não uniforme durante o processo de tração, resultando em uma concentração óbvia de tensão na raiz do entalhe. O entalhe também restringe a ponta e limita a deformação da ponta do entalhe.
Devido à diferente plasticidade dos materiais, os entalhes podem causar vários graus de concentração de tensão e ligação durante todo o processo de deformação plástica, resultando em diferentes efeitos na resistência à tração de diferentes materiais.
O aço 10CrNi3MoV possui boa plasticidade e a amostra de tração lisa possui boa capacidade de deformação lateral e axial. Embora as amostras entalhadas experimentem o efeito de ligação do entalhe, ainda há alguma deformação plástica durante o processo de tração que pode amortecer a concentração de tensão causada pelo entalhe.
A posição de início da trinca para amostras de tração com diferentes profundidades de entalhe está localizada no centro da amostra, onde há uma grande zona de fibra que exibe características normais de fratura por tração com uma fratura ondulada. Quando a tensão axial no centro excede a resistência normal à fratura por tração do próprio material, a amostra racha. Devido à restrição do entalhe, a deformação plástica tangencial contribui menos para a liberação de tensão, e o nível de tensão de todo o plano de fratura é muito alto quando a fratura ocorre.
Durante o processo de início da fissura e expansão externa, toda a fratura apresenta uma fratura ondulada causada por exceder a resistência normal à fratura por tração, com apenas um pequeno número de bordas de cisalhamento na borda, que é caracterizada por fratura tangencial.
A superfície de fratura da amostra lisa da liga de alumínio 5083 é uma fratura de cisalhamento típica de 45° com alguma deformação axial e estricção. Quando o entalhe da amostra é de 1 mm, a posição de início da trinca está na borda da amostra.
Durante o teste de tração, se a tensão exceder a tensão de escoamento, a deformação por cisalhamento em um ângulo de 45° começa a ocorrer perto do entalhe da amostra, e a fratura continua a encolher durante o teste. A deformação de cisalhamento ocorrerá em toda a seção do entalhe na direção de 45°, fazendo com que a tensão seja liberada no local onde ocorre a deformação de cisalhamento.
No entanto, devido à concentração de tensão perto da ponta do entalhe e à incapacidade de produzir uma grande quantidade de deformação por cisalhamento, a tensão axial aumenta gradualmente.
Quando a carga da borda do entalhe excede a resistência à fratura, a ruptura por tração normal local ocorre na borda e a tensão axial é subsequentemente transmitida para toda a fratura.
Durante o processo de propagação da fratura, o corpo de prova será danificado ao longo da peça que sofreu deformação por cisalhamento de 45°, formando uma fratura serrilhada.
Para uma amostra com entalhe de 2 mm, a posição de início da trinca está localizada na junção da deformação plástica e elástica da seção do entalhe.
Como a tensão no momento da fratura da amostra entalhada não excede a tensão de escoamento, a amostra não sofre uma grande área de deformação na direção de cisalhamento de 45°.
Quando a tensão na raiz do entalhe excede a tensão de escoamento da amostra, ocorre uma pequena deformação plástica devido à concentração de tensão.
No entanto, devido ao efeito de ligação do entalhe e às características de movimento do sistema de deslizamento da liga de alumínio, a amostra não pode sofrer deformação plástica significativa na direção radial, e a zona de deformação plástica não pode se estender até o centro da amostra. Como resultado, a força máxima é suportada na junção da zona de deformação plástica e da zona de deformação elástica.
Se a força máxima exceder a resistência à fratura do material, a falha por tensão normal ocorre na força máxima, que então se estende a toda a seção do entalhe. A superfície de fratura apresenta um formato de ondulação com características normais de fratura por tensão.
Por outro lado, a superfície de fratura da amostra lisa de ferro dúctil 500-7 parece plana, perpendicular à direção da tensão e com claras características de fragilidade. A amostra lisa sofre certa deformação axial e radial durante o processo de tração, que resulta da tensão de cisalhamento máxima.
Amostras entalhadas produzem concentração de tensão na borda, e a tensão no processo de tração atinge a resistência à fratura mais cedo, fazendo com que a amostra comece a rachar e se expanda rapidamente para toda a seção.
Devido ao estado de ligação do entalhe e à tendência de fragilidade do material, a capacidade da amostra de aliviar a concentração de tensão perto do entalhe através da deformação plástica é fraca. Portanto, a tensão normal da amostra do entalhe ao centro será significativamente diferente.
Em geral, descontinuidades na forma levam a concentrações de tensões.
Em materiais frágeis, a concentração de tensões pode causar fratura prematura da amostra, levando a um declínio na resistência.
À medida que a profundidade do entalhe aumenta, a concentração de tensão na raiz torna-se maior, resultando numa fratura mais precoce da amostra e numa menor resistência à tração.
No entanto, o material plástico na ponta do entalhe pode aliviar a concentração de tensão ao sofrer um certo grau de deformação plástica e redistribuir a tensão ao longo da seção do entalhe.
Com base na terceira teoria de resistência, a tensão de cisalhamento máxima é o principal fator que leva à deformação plástica e à falha dos materiais, enquanto a tensão normal é muito menor que a tensão normal máxima que pode causar fratura e falha do material.
Em corpos de prova entalhados, o estado de ligação limita a deformação do material ao longo da direção da tensão de cisalhamento máxima, fazendo com que o modo de fratura mude de corte para tração e, subsequentemente, aumente a resistência à tração.
Para materiais com melhor plasticidade, a deformação plástica pode resultar em uma distribuição de tensão mais uniforme em todo o entalhe, e a seção onde o entalhe está localizado fica mais próxima da resistência à tração teórica do material, levando a um aumento mais significativo na resistência à tração.
A resistência à tração da amostra entalhada de aço 10CrNi3MoV é significativamente maior do que a da amostra lisa. No entanto, se a plasticidade for insuficiente, ou se a ligação do entalhe for significativa e a deformação não puder se estender ao centro, a seção do entalhe poderá ser destruída na junção da deformação elástica e plástica.
Algumas das forças de interface permanecem na zona elástica antes da fratura. Como resultado, a resistência à tração da amostra entalhada da liga de alumínio 5083 é maior do que a da amostra lisa, mas o aumento é menor do que o do aço 10CrNi3MoV.
Além disso, quanto mais profundo o entalhe, menor será a deformação plástica que pode permitir que o núcleo da amostra atinja a resistência à tração teórica. Consequentemente, a resistência próxima ao entalhe diminui menos, levando a um aumento na resistência à tração da amostra entalhada.
4. Conclusão
(1) O entalhe levará à concentração de tensão dos materiais sob tensão.
Em materiais que apresentam boa plasticidade, a concentração de tensão na seção do entalhe pode ser aliviada pela condução da deformação plástica da ponta do entalhe. Este processo ajuda a distribuir a tensão uniformemente sem comprometer a resistência do material.
No entanto, para materiais frágeis, a ponta do entalhe tem capacidade limitada de deformação plástica, o que torna difícil aliviar eficazmente a concentração de tensões. Como resultado, a concentração de tensões pode levar à falha local do material, que pode então espalhar-se por toda a secção, reduzindo em última análise a resistência global do material.
(2) O entalhe alterará o estado de tensão e o modo de fratura dos materiais plásticos durante a deformação.
A tensão de fratura dos materiais plásticos muda de tensão de cisalhamento para tensão normal, fazendo com que o modo de fratura mude de fratura por cisalhamento para falha de tração normal axial. Isto significa que os entalhes normalmente aumentam a resistência à tração dos materiais, e quanto maior a plasticidade, maior a proporção de falha de tração normal e mais perceptível o aumento na resistência à tração.
No entanto, para materiais frágeis, o efeito da concentração de tensão do entalhe leva a um gradiente significativo na tensão normal desde a raiz do entalhe até o centro da amostra durante a fratura. Como resultado, uma microfissura se formará inicialmente na raiz e se propagará rapidamente para o centro, levando a uma redução na resistência à tração sem alteração no modo de fratura.
