1. Proprietăţile mecanice ale oţelurilor la temperatură obişnuită

Proprietăţile mecanice ale oţelurilor la temperatură obişnuită sunt destul de bine definite prin încercarea de tracţiune clasică, precum şi caracteristicile - limita de elasticitate, sarcina de rupeie şi alungirea - determinate cu ajutorul aceste încercări, dar, începând de la o temperatură de ordinul a 400°C apare un fenomen nou care obligă să se ţină seamă de factorul timp în studiul acestor proprietăţi.

Rezistenţa metalelor scade atunci când temperatura creşte. Deoarece mobilitatea atomilor sporeşte rapid odată cu creşterea temperaturii, se poate aprecia că, la temperaturi înalte, procesele determinate de fenomenul de difuziune pot avea un efect important asupra proprietăţilor mecanice ale metalelor. La temperaturi înalte pot interveni mecanisme noi de deformare. Principalii factori care trebuie luaţi în consideraţie sunt efectul expunerii prelungite la o temperatură înaltă asupra stabilităţii metalurgice a metalelor şi aliajelor şi interacţiunea dintre metal şi mediul înconjurător. Oxidarea foarte puternică şi pătrunderea intergranulară a oxidului trebuie evitate.

Utilizarea cu succes a metalelor, în condiţii de temperatură înaltă, este o problemă foarte importantă ce apare în industrie. In ultima vreme s-au elaborat un număr de materiale cu proprietăţi îmbunătăţite la temperaturi înalte, dar cerinţele mereu crescânde din punct de vedere cantitativ ale tehnologiei moderne solicită materiale cu o rezistenţă mecanică şi chimică tot mai mare în aceste condiţii. Timp îndelungat, principalele aplicaţii ale metalelor rezistente la temperaturi înalte erau legate de instalaţiile energetice cu aburi, de rafinării şi de instalaţiile chimice. Temperaturile de lucru în astfel de instalaţii, ca de exemplu cazane, turbine cu abur şi instalaţii de cracare, depăşesc rareori 550°C. Odată cu introducerea turbinelor cu gaze, a fost necesar ca materialele să poată lucra, în cazul unor organe puternic solicitate (ca de exemplu paletele rotorului de turbină), la temperaturi ce ajung la aproximativ 835°C.

Proiectarea unor astfel de turbine de putere mai mare a făcut ca temperatura de lucru să crească până în jurul a 1000°C. Motoarele rachetelor şi conurile frontale ale proiectilelor balistice pun probleme care pot fi rezolvate numai printr-o utilizare deosebit de ingenioasă a materialelor rezistente la temperaturi înalte şi, de asemenea, prin elaborarea unor materiale şi mai rezistente. Evident că nu se poate pune problema ca materialele existente să limiteze progresul tehnologic rapid în domeniul temperaturilor înalte.

2. Comportarea metalelor la temperaturi inalte

2.1 Caracteristica comportarii metalelor

O caracteristică importantă a comportării materialelor la temperaturi înalte este aceea că rezistenţa materialului depinde în foarte mare măsură de timpul de menţinere a materialului la temperatura respectivă. In aceste condiţii, un număr de metale se comportă, din multe puncte de vedere, la fel ca materialele vîscoelastice. Un metal solicitat la o sarcină constantă, la o temperatură înaltă, va prezenta fenomenul de fluaj, adică va căpăta deformaţii de lungime din ce în ce mai mari odată cu creşterea timpului. Deci se poate spune că deformarea progresivă în timp a unui material la o tensiune constanta se numeste fluaj.

Pentru prima oară, fluajul a fost studiat în mod ştiinţific pe metale cu temperaturi scăzute de recristalizare (plumb, în special) de către fizicianul englez Eduard Neville de Costa Andarade, inca de la inceputul secolului XX.

In anul 1919, P. Chevenard a arătat, pentru prima dată, că şi oţelurile sunt afectate de acest fenomen. Această constatare i-a prilejuit lui Dickenson, în anul 1922, să demonstreze

experimental că fluajul oţelurilor deasupra lui 400°C are aceleaşi caracteristici generale ca şi al metalelor cu temperatură de recristalizare scăzută : - alungire progresivă în timp, sub o sarcină inferioară limitei de curgere ; - ruperea oţelului după un timp cu atat mai lung, cu cat sarcina este mai mică.

Cu toate acestea, fluajul a continuat să nu fie luat în seamă în calculele de dimensionare, întrucât în cazul majorităţii materialelor metalice el este practic neglijabil atât la temperatura normală, cât şi la temperaturi relativ scăzute. Dezvoltarea rapidă, din primele trei decenii ale secolului nostru, a industriei energetice şi a celei chimice a necesitat creşterea temperaturilor şi tensiunilor de lucru. Acest progres nu ar fi fost posibil dacă industria siderurgică nu ar fi reuşit, în al treilea deceniu al secolului nostru, să elaboreze primele oţeluri slab aliate cu crom şi molibden, sensibil mai rezistente la cald decât oţelurile carbon obişnuite care se foloseau până atunci. Aceste oţeluri au permis creşterea progresivă a temperaturilor de lucru de la 450°C la 480°C şi apoi la 510°C, în anul 1938.

Creşterea progresivă şi continuă a temperaturilor şi presiunilor de lucru ale fluidelor energetice sau tehnologice a continuat să constituie un deziderat al tuturor tehnicienilor, întrucât pe această cale instalaţiile energetice, chimice etc. devin mai rentabile.

Pe de altă parte însă, acest fapt a accentuat importanţa fenomenului de fluaj care, atâta vreme cât temperaturile nu depăşeau valoarea de circa 450°C, putea fi neglijat, dar care începând de la această valoare devine atât de important, încât neglijarea lui ar putea avea urmări periculoase pentru durata de serviciu a instalaţiilor respective.

2.2 Comportarea la fluaj a unui metal

Comportarea la fluaj a unui metal se caracterizează prin curba de fluaj, care redă variaţia în timp a deformării metalului sub acţiunea unei tensiuni constante. Panta unei curbe se numeşte viteză de fluaj. După o alungire iniţială rapidă a epruvetei, e0, viteza de fluaj scade cu timpul şi atinge apoi un stadiu de deformare netranzitoriu, în care viteza de fluaj variază în funcţie de timp, pentru ca, în final, să crească rapid cu timpul, până ce apare ruperea.

Comportarea la fluaj a metalelor este guvernată fie de generarea şi deplasarea dislocaţiilor (defect liniar al reţelei cristaline), fie de îngroşarea limitelor de grăunţi (rosturi) şi apariţia de microfisuri. Ruperea, care pune capăt fenomenului de fluaj, poate, din aceasta cauza , să prezinte doua aspecte complet diferite: - Ruperea intracristalină ce se produce la temperaturi relativ joase, sub sarcini mari. Ea este precedată de o alungire şi o gâtuire apreciabilă. - Ruperea intercristalină care se produce la temperaturi relativ ridicate, sub sarcini mici.

Metalele prezintă o trecere de la ruperea transcristalină (intracristalină) către ruperea intercristalină pe măsură ce temperatura creşte. Când ruperea se produce transcristalin, grăunţii sunt mai puţini rezistenţi decat limitele, în timp ce, în cazul ruperii intercristaline, elementul cel mai slab îl constituie limitele graunţilor.

A fost introdusă noţiunea de „temperatură de echicoeziune" (TEC), care a fost definită ca temperatura la care atât grăunţii cât şi limitele au aceeaşi rezistenţă . Temperatura de echicoeziune nu are o valoare fixă. O scădere a vitezei de deformare conduce la o micşorare a TEC şi, ca urmare, se măreşte tendinţa de rupere intercristalină.

In condiţiile fluajului au fost observate două tipuri de rupere intercristalină: - în cazul în care poate apărea alunecarea limitelor, fisurile pot fi iniţiate în punctele triple, în care se întalnesc trei grăunţi. Acest tip de rupere, datorită limitelor, este predominant în cazul aplicării unor sarcini ridicate. In figura 9 sunt prezentate schematic mai multe moduri în care se pot forma fisurile. S-a arătat că într-un punct triplu se dezvoltă tensiuni normale de tracţiune mari, datorită tensiunilor tangenţiale ce acţioneaza de-a lungul limitelor.

- al doilea tip de rupere intercristalină se caracterizează prin formarea de pori la limite, în special la acelea care sunt perpendiculare pe tensiunea normala.

Porii cresc în dimensiune şi se unesc pentru a forma fisuri la limitele grăunţilor. Acest tip de rupere este dominant atunci cand asupra metalului se aplică tensiuni mici, care conduc la o rupere dupa un timp relativ indelungat.

Caracteristicile la temperaturi înalte pot avea valuri cuprinse într-un domeniu destul de mare şi adeseori se obţin rezultate diferite pentru şarje din acelaşi material sau chiar între diferite bare obţinute din aceeaşi şarjă. Proprietăţile la fluaj ale oţelurilor sunt cu deosebire supuse unor dispersii accentuate, legate în mod complex de compoziţie, de metoda de elaborare, de tipul prelucrării mecanice şi de microstructură. O îmbunătăţire sensibilă a proprietăţilor aliajelor la temperaturi înalte se obţine în cazul topirii sub vid. Se îmbunătăţesc, de asemenea, proprietăţile tehnologice de prelucrare.

Mediul ambiant poate avea o influenţă importantă asupra comportării la temperaturi ridicate. Atunci cand materialele trebuie să lucreze într-o atmosferă formată din gaze de ardere fierbinţi sau în medii corozive, durata de serviciu scade.

2.3 Fluajul şi ruperea vâsco-elastică

Componentele structurale ce lucrează la temperaturi înalte pot ceda prin rupere vâsco-elastică (fluaj). După ce a fost unanim acceptat conceptul integralei J ca parametru care să caracterizeze ruperea, numeroşi cercetători (Landes şi Begley, 1976, Ohji şi al., 1976, Nibkin şi al., 1976) [165, 204, 201], au propus o versiune a integralei J care să cuprindă şi fenomenul de fluaj. Acest concept începe să devină cunoscut ca integrala C* (creep) ce caracterizează zona de la vârful fisurii în materialul vâscos.

Studii experimentale (Landes şi Begley, 1976, Riedel, 1989) [247], au confirmat predicţiile teoretice privitoare la faptul că, la viteze mici de deformare starea dominantă din unele materiale o reprezintă fluajul ce se stabileşte înainte de apariţia fisurilor. Cele mai multe mecanisme de fisurare aplicabile pentru oţeluri nu pot fi în mod direct aplicate pentru polimeri, mecanismele de rupere vâsco-elastice necesitând căutarea unui răspuns adecvat al materialului. S. N. Zurkov contribuie la elucidarea fenomenelor fizice care au loc la vârful fisurii într-un polimer supus solicitării prin punctarea faptului că ruperea legăturilor lanţului de macromolecule joacă un rol fundamental în ruperea polimerilor. Contribuţii majore în cadrul mecanismelor de fisurare vâsco-elastică pot fi găsite în cartea lui J.G. Williams, 1984 [312].

2.4 Oteluri rezistente la cald.

După cel de al doilea război mondial, americanii au fost în măsură să adopte cicluri termice care comportau temperaturi de 540°C, iar, în anul 1948, 565°C.

Atingerea temperaturii de 565°C, ce se găseşte aproape de limita de utilizare a oţelurilor termolabile de tip ferito-perlitic, a pus în competiţie oţelurile de acest gen cu cele austenitice, mai rezistente la cald decat primele.

S-a arătat că deformarea plastică începe la limita de curgere şi continuă numai dacă tensiunea aplicată creşte permanent. Această comportare a materialelor metalice are loc însă numai atunci cand deformarea se produce într-un timp foarte scurt. Dacă sarcina aplicată acţionează un timp foarte lung (zile, luni sau ani), metalul se deformează plastic la tensiuni mult mai mici, chiar mai mici decat limita de curgere şi continuă să se deformeze şi în cazul în care, după începerea deformării plastice, tensiunea este menţinută constantă. La temperatura camerei, deformaţia plastică, în timp, a unui metal sub acţiunea unei sarcini exterioare este, în general, foarte mică, astfel că se poate neglija. Cu creşterea temperaturii,

deformaţia plastică sub acţiunea unei sarcini constante, care acţionează un timp lung, se măreşte continuu, devenind la o anumită temperatură foarte importantă.

Aşa cum s-a arătat, fluajul depinde de temperatură şi, în mod particular, de raportul între temperatura de încercare „T" şi temperatura de topire a metalului studiat (T/Tf). Acest raport este denumit „temperatură echivalentă".

Diferite lucrări experimentale şi teoretice au stabilit că metale ale căror puncte de fuziune şi rezistenţe mecanice la temperatura ambiantă sunt diferite pot avea comportări la fluaj analoage. In consecinţă, la fluaj, o temperatură va fi considerată ca ridicată sau scăzută, în funcţie de temperatura de fuziune.

Folosind scara temperaturii echivalente, pentru toate metalele, dependenţa de timp a deformării plastice devine importantă, din punct de vedere practic, începand de la o temperatură echivalentă, aproximativ egală cu 0,4. Pentru wolfram, fier, aluminiu şi plumb, această temperatură corespunde la aproximativ 1 473°K, 783°K, 373°K şi 300°K.

3. Considerente experimentale asupra fluajului

Dacă la temperatura normală proprietăţile de rezistenţă ale materialelor metalice nu sunt practic dependente de timp, la temperaturi înalte însă, aceste proprietăţi pot suferi modificări considerabile. Astfel, la temperaturi înalte, un material metalic se poate deforma sub acţiunea unor sarcini mult mai mici decât limita de curgere şi, dacă această sarcină se menţine constantă, deformarea va avea un caracter continuu, permanent. Deformarea lentă, progresivă în timp şi continuă a unui material sub acţiunea unei sarcini constante se numeşte fluaj. Comportarea la fluaj a unui material metalic poate fi caracterizată prin curba de fluaj, care se determină prin aplicarea unei sarcini constante de tracţiune unei epruvete, care se menţine un anumit timp la o temperatură înaltă. Se determină astfel variaţia în timp a deformaţiei epruvetei care, în cazul general, poate fi reprezentată printr-o curbă de fluaj (fig.3.1). După lungirea instantanee "εo", această curbă prezintă trei zone: - zona fluajului primar sau nestabilizat (AB); - zona fluajului secundar sau stabilizat (BC); - zona fluajului terţiar sau accelerat (CD).

Fig. 3.1

În prima zonă viteza de fluaj descreşte, rezistenţa la fluaj a materialului crescând datorită propriei sale deformaţii care produc o ecruisare tot mai puternică.

A doua zonă se caracterizează printr-o viteză de fluaj aproximativ constantă, ca urmare a procesului de ecruisare prin relaxarea determinată de fenomene de restaurare. Valoarea medie a vitezei de fluaj în această zonă se numeşte: viteză minimă de fluaj.

A treia zonă se caracterizează printr-o creştere rapidă a vitezei de fluaj până la ruperea în punctul "D", această creştere fiind legată atât de reducerea secţiunii (gâtuirea epruvetei) cât şi de anumite modificări structurale ale materialului. Principalele mecanisme microscopice responsabile de producerea fluajului sunt: - alunecarea dislocaţiilor (la temperaturi mici); - căţărarea dislocaţiilor: limitează acţiunea de blocare a dislocaţiilor exercitată de fazele precipitate pe planul de alunecare a defectelor liniare; - alunecarea limitelor de grăunţi; - difuzia atomilor şi a vacanţelor. La fluaj, acţiunea simultană a două fenomene va caracteriza fiecare stadiu în producerea acestuia: - fenomenul de durificare prin multiplicarea dislocaţiilor - ecruisarea; - fenomenul de reducere a numărului de dislocaţii - recoacere - care implică scăderea rezistenţei materialului.

3.1 Generalităţi asupra comportării la cald a materialelor

Dezvoltarea materialelor pentru temperaturi înalte a acompaniat pe cea a maşinilor termice şi frecvent a condiţionat creşterea performanţelor acestora. Cazul cel mai elocvent este cel al turbinelor aeronautice, echipamentelor de producere a energiei şi reactorii chimici.

Noţiunea de temperatură înaltă este asociată aparitiei, în cursul unei solicitări sub tensiune, a unui comportament vasco-plastic care conduce la rupere. Acest comportament vîsco-plastic are la bază difuzia atomilor care devine senmificativă la o temperatură superioară lui (0,3-0,4)*Tf, Tf este temperatura de fuziune a materialului exprimată în K. Difuzia atomică are o influentă asupra comportamentului vasco- plastic al materialelor şi totodată ea modifică atît microstructura cît şi rezistenţa la coroziune. Se vorbeşte tradiţional de materiale pentru temperaturi înalte atunci cînd rezistenţa lor mecanică şi comportarea la oxidare permit o utilizare la peste 400°C, limita obişnuită de întrebuinţare a oţelurilor nealiate. Acest criteriu conduce la reţinerea următoarelor materiale: - unele oţeluri slab aliate; - oţeluri inoxidabile; - unele aliaje cu bază de titan; - superaliajele; - metalele refractare; - ceramicele monolitice şi compozitele.

0 200 400 600 800 1000 1200 Temperarura 0 C

Fig.3.2 Dependenţa rezistenţei specifice de temperatura de încercare a materialelor inginereşti

O prezentare rapidă are în vedere şi aliajele cu bază de aluminiu precum şi compozitele cu matrice organică în curs de dezvoltare a căror stabilitate permite o utilizare la 200- 300°C. Proprietăţile tehnologice şi de întrebuinţare ale acestor materiale depind de compoziţia lor chimică, de natura, mărimea şi dispersia fazelor secundare, de impurităţile rezultate în urma elaborării şi de tratamentul termomecanic aplicat. Selectia judicioasă a materialului implică o cunoaştere foarte precisă a condiţiilor de utilizare: intensitatea şi durata de aplicare a tensiunilor, temperatura şi mediul înconjurător. Pentru o aplicatie dată va fi necesar să se indice atît compozitia chimică a materialului cît şi procedeul de fabricare şi tratamentele termice care determină starea sa structurală

Temperatura in 0 C

Fig. 3.3 Evoluţia rezistenţei specifice în funcţie de temperatură pentru principalele familii de materiale.

3.2 Materialele metalice

Structurile de rezistenţă exploatate la temperatura ambiantă sunt proiectate fie pe baza limitei de curgere fie pe baza rezistenţei la rupere, caracteristici determinate prin încercări de tracţiune statică la temperatura camerei. Pentru majoritatea metalelor inginereşti caracteristicile de tractiune la temperatura camerei sunt independente de timp. Creşterea temperaturii influenţează toate proprietăţile: ea diminuează modulul de elasticitate (ca urmare a scăderii fortelor de coeziune interatomică), limita de curgere, rezistenţa la rupere (fig. 3.1) şi îndeosebi gradul de durificare prin deformare plastică. Mai mult, trebuie ţinut seama de faptul că în conditiile unei viteze mici de aplicare a sarcinii, ruperea este provocată de tensiuni mai reduse decît în conditiile încercărilor statice uzuale.

La temperaturi ridicate (superioare celei de recristalizare) proprietătile mecanice ale materialelor metalice sunt determinate de procesele simultane de durificare prin deformare plastică şi de înmuiere datorită restaurării şi recristalizării. De aceea, la temperaturi ridicate acţiunea prelungită în timp a unei sarcini constante dă naştere unei măriri progresive a deformaţiei plastice sub acţiunea tensiunilor inferioare celor susceptibile să provoace o astfel de deformatie la încercări uzuale. Aptitudinea materialului, menţinut timp îndelungat sub sarcină la temperaturi ridicate, de a se deforma lent şi continuu poartă numele de fluaj.

Curba de fluajFig.3.3 Variaţia caracteristicilor statice de tracţiune ale oţelurilor cu conţinut redus de C

funcţie de temperatura de încercare

Rezistenţa la fluaj este definită prin limita conventională de fluaj, aceasta fiind tensiunea care provoacă într-un timp dat de încercare la o temperatură dată o alungire dată a epruvetei sau o viteză de deformare dată. Un fluaj important poate conduce la ruperea materialului metalic. Rezistenţa la rupere ca urmare a menţinerii prelungite sub sarcină la temperaturi ridicate poartă denumirea de rezistenţă de lungă durată.

Rezistenţa metalelor la fluaj şi la rupere sub actiunea prelungită a unei sarcini în domeniul temperaturilor ridicate se numeşte rezistenţa la cald.

Pentru definirea rezistenţei la cald se efectuează încercări de tractiune la cald de scurtă durată şi încercări de fluaj.

Încercările de tractiune la cald de scurtă durată sunt aplicate cînd timpul în care piesa suferă acţiunea temperaturilor ridicate este foarte scurt sau cînd temperatura în serviciu nu este foarte ridicată şi valoarea fluajului este neglijabilă. Aceste încercări se desfaşoară de o manieră analoagă cu cele uzuale de tracţiune, dar epruveta este plasată într-un cuptor.

Încercările de fluaj se folosesc pentru determinarea rezistentei la rupere. Pentru aceasta se folosesc maşini speciale la care epruveta plasată într-un cuptor electric şi încălzită pînă la o temperatură impusă suferă acţiunea unei sarcini constante. Deformatia epruvetei este măsurată cu o precizie de 0,001mm printr-un instrument optic. Mai multe epruvete sunt puse la încercare la fiecare temperatură impusă sub sarcini variate după care se trasează pentru fiecare epruvetă curbele alungire-timp (curbele de fluaj – fig. 3.1).

Sectorul OX al curbei corespunde unei deformatii elastice şi plastice produsă printr-o sarcină instantanee; urmează sectorul I pentru care deformaţia metalului are loc la o viteză inegală şi descrescătoare şi sectorul II la care viteza de fluaj este aproximativ constantă şi minimă. Efortul aplicat, temperatura şi materialul supus încercării fac ca deformaţia să antreneze fie ruperea (zona III A figura 10.3) fie încetinirea şi încetare fluajului (zona III B fig. 3.3).

Iniţierea fluajului secundar are loc după 700-l000 h, iar durata totală a unui asemenea test este de mai multe mii de ore. Temperaturile de serviciu ale aliajelor moderne rezistente la cald variază între 0,45…0,8 din Tf. Duratele de serviciu ale acestor aliaje variază de la (l-2)h (rachete) la sute (turbine cu gaz pentru avion) şi mii de ore (turbine staţionare cu gaz şi cu vapori).

La temperaturi inferioare lui 0,45 *Tf sau 0,8*Tf, rezistenţa unui aliaj este determinată stabilitatea structurii dislocaţiilor.

La temperaturi mai ridicate, această stabilitate este distrusă (densitatea dislocaţiilor micşorează, numărul de lacune creşte, etc.). Se observă dezvoltarea proceselor înmuiere prin difuzie (revenire şi recristalizare, sferoidizarea şi coalescei particulelor de fază în exces, etc.).

Degradarea metalelor la temperaturi ridicate nu este încă suficient studiată. Dacă la temperaturi joase, marginile grăunţilor frînează deplasarea dislocaţiilor şi durifică aliajul, la temperaturi înalte fenomenul este invers: alunecarea limitelor devine mecanismul predominant al deformării şi ca urmare ele favorizează înmuierea accelerată a metalelor policristaline. Un grăunte mai mare contribuie la creşte rezistenţei la cald, cu toate că deseori în aceste condiţii plasticitatea este mai mică.

Rezistenţa la cald a unui otel şi a altor aliaje metalice depinde în mare măsură fortele de legătură interatomică şi de starea lor structurală. În primă aproximatie poate admite că cu cît temperatura de tranzitie este mai ridicată, cu atît fortele legătură dintre atomi sunt mai mari şi temperatura maximă de utilizarc a acestor aliaje este mai înaltă.

De exemplu, la temperaturi ridicate Al este mai rezistent decât Zn, iar Cu este mai rezistent decât Al. Cu toate că metalele care au punctele de topire cele mai ridicate ar trebui să aibă cea mai bună rezistenţă la fluaj, alti factori limitează utilizarea practică a acestora.

Astfel, metalele refractare Nb, Mo, Ta şi W (tabelul 10.1) nu pot fi prelucrate uşor sub formă de piese mari cu formă complexă şi au o rezistentă la oxidare scăzută. Titanul are o rezistenţă mai mică la fluaj raportată la temperatura de topire, dar aliajele cu bază de titan sunt utilizate în aplicaţii aerospatiale datorită masei specifice reduse. Cromul nu este utilizat din cauza ductilităţii reduse, dar este folosit ca element de aliere în multe asemenea aliaje. Fe, Co şi Ni, principalele elemente ale celor mai bune aliaje rezistente la fluaj, au punctele de topire nu prea ridicate.

3.3 Mecanisme de creştere a rezistenţei la fluaj

Mecanismele utilizate pentru creşterea rezistenţei la fluaj sunt similare cu cele folosite pentru îmbunătătirea caracteristicilor de rezistentă mecanică la temperatura camerei: călirea pentru punere în soluţie urmată de îmbătrânirea prin revenire. Diferentele de la un material la altul în privinţa rezistenţei la fluaj sunt legate de persistenta mecanismului de durificare cu creşterea temperaturii.

Otelurile cu continut redus în carbon, care au dizolvat interstitial atomii de azot şi de carbon, sunt susceptibile la îmbătrânire prin deformare, fapt care justifică utilizarea lor până la temperaturi de 315°C.

Prelucrarea anterioară prin deformare la rece este utilizată pentru creşterea rezistenţei la fluaj, deşi la temperatari în jur de 0,5-Tf se constată o reducere a acesteia ca urmare a recristalizării.

Cea mai importantă metodă de îmbunătăţire a rezistenţei la fluaj constă în încorporarea unei dispersii fine de particule de fază secundară în interiorul grăuntilor. Durificarea produsă prin dispersia oxizilor la alierea mecanică poate favoriza mărirea rezistenţei la fluaj.

În cazurile cînd snnt necesare proprietăţi de întrebuinţare pe o durată mai lungă de timp (pană la 100.000 h) pentru care nu există date disponibile, singura alternativă este extrapolarea rezultatelor experimentale.

4.Fluajul – tratare teoretica 4.1 Noţiuni introductive

Prin fluaj se înţelege proprietatea materialelor metalice de a se deforma în timp, lent şi continuu, sub acţiunea unor sarcini constante.

Această definiţie arată că şi pentru tensiuni sub limita de curgere materialul se deformează dacă sarcina acţionează un timp destul de mare, mai mult chiar, deformarea continuă fără a fi necesară o creştere permanentă a sarcinii aplicate.

Această deformare este foarte mică la temperaturi apropiate de temperatura camerei şi pentru timpi de solicitare obişnuiţi şi de aceea ea poate fi cel mai adesea neglijată. La creşterea temperaturii peste un anumit nivel, deformaţia sub acţiunea unei sarcini constante mai mici decât limita de curgere, dar care acţionează un timp lung devine foarte importantă. Temperatura de la care dependenţa de timp a deformării plastice devine importantă pentru toate materialele metalice poate fi apreciată utilizând o

noţiune specială, temperatura echivalentă, definită în acest caz prin relaţia : , în care

T este temperatura de încercare iar T t este temperatura de topire a metalului respectiv. O temperatură mai mare de 0,4 din temperatura de topire este suficient de mare pentru

ca fluajul să devină important şi deci să fie luat în calcul. Se observă că metalele cu temperaturi mai ridicate de topire vor suporta deformări din cauza fluajului doar la temperaturi mai ridicate în timp ce alte materiale, spre exemplu plumbul suportă deformări la temperaturi apropiate de temperatura camerei 30 0 C.

Comportarea la fluaj este dată de o curbă care reprezintă variaţia în timp a deformării metalului sub acţiunea unei tensiuni constante σ, figura 4.3.1.1.

Fig.4.1 Curbe de fluaj: a- temperatura ridicata si tensiune mica; b-temperatura si tensiune mare; c- temperatura si tensiune mica

O curbă de fluaj tipică este curba a trasată pentru temperatură ridicată şi sarcină redusă. Pe curbă se poate defini viteza de fluaj care este panta tangentei la curbă într-un punct dat. Valoarea deformaţiei iniţiale ε0 produsă la aplicarea sarcinii poate fi neglijată şi astfel se pot deosebi pe curbă trei porţiuni caracterizate de viteze de fluaj distincte.

Prima porţiune ε0 A, caracterizată de o viteză de fluaj descrescătoare poartă numele de zona fluajului nestabilizat sau primar. A doua porţiune AB, liniară, caracterizată de o viteză constantă a fluajului, se numeşte porţiunea fluajului stabilizat sau fluajului secundar, media vitezei pe această porţiune se numeşte viteză minimă de fluaj. A treia porţiune a curbei de fluaj este cea a fluajului accelerat sau terţiar, caracterizat printr-o viteză crescătoare a curgerii până în punctul C unde se produce şi ruperea.

Creşterea rapidă a vitezei de fluaj în această zonă nu este pe deplin elucidată, ipotezele cele mai vehiculate ar fi: modificările structurale care apar în timpul solicitării sau apariţia gâtuirii şi creşterea corespunzătoare a tensiunii. Gâtuirea singură nu poate fi considerată o cauză care determină fluajul terţiar deoarece acesta apare şi când proba nu este gâtuită. Influenţa temperaturii şi tensiunii asupra curbei de fluaj se observă pe curbele b şi c în fig. 4.1.

Se observă că fluajul terţiar apare mai devreme în situaţia în care temperatura şi tensiunea sunt mai mari şi se poate chiar, în anumite condiţii de temperatură şi tensiune, ca unele părţi ale curbei de fluaj să lipsească complet.

4.2 Mecanismele fluajului. Natura fluajul tranzitoriu şi a fluajului vâscos

Mecanismele prin care se realizează fluajul sunt două şi ele se suprapun. Prima componentă este fluajul tranzitoriu care predomină în zona fluajului primar şi a doua componentă, fluajul vâscos sau stabilizat care predomină în zona fluajului secundar.

Fluajul tranzitoriu se caracterizează printr-o viteză continuu descrescătoare, la început deformaţia este rapidă dar apoi devine din ce în ce mai mică apropiindu-se de o valoare fixă. Acest tip de fluaj se produce la orice temperatură, chiar la temperaturi aproape de zero absolut, şi este dependent de temperatură.

Fluajul stabilizat se dezvoltă la tensiune constantă şi cu o viteză constantă, egală cu viteza minimă de fluaj. El este de asemeni dependent de temperatură dar nu se produce decât la temperaturi echivalente mai mari de 0,4.

Explicarea fluajului poate fi făcută presupunând depăşirea de către dislocaţii a obstacolelor care se opun deformării prin acţiunea combinată a tensiunii şi fluctuaţiilor termice. La temperaturi echivalente mai mici de 0,4 unde difuzia nu este importantă depăşirea obstacolelor se realizează prin procese care nu implică difuzia.

Acest fluaj tranzitoriu care se obţine la temperaturi mici se numeşte fluaj logaritmic sau fluaj α, şi este descris de ecuaţia: (4.1) unde este o constanta.

Fluajul tranzitoriu la temperaturi mai mari se numeşte fluaj şi se supune legii:

(4.2) , unde este o constanta.

Fluajul tranzitoriu constă din deformaţii plastice puţin extinse datorate activării termice. La aplicarea tensiunii se produce deformaţia plastică obişnuită care încetează după atingerea unei mărimi date.

Faptul este explicat prin ecruisarea care se opune, ajungând să neutralizeze tensiunea, deformarea producându-se mai departe sub acţiunea activării termice. Sub acţiunea unor impulsuri termice unele dislocaţii scapă de obstacolele care le blocaseră şi produc creşteri restrânse ale deformaţiei, care produc o nouă creştere a ecruisării, deformarea devenind din ce în ce mai dificilă şi de aceea viteza de fluaj scade. Fluajul α este determinat de acest proces.

Alt proces care nu implică difuzie, şi care contribuie la dezvoltarea fluajului tranzitoriu este alunecarea peste obstacole a dislocaţiilor elicoidale. Se consideră că fluajul β este determinat de acest tip de proces.

La temperaturi echivalente mari, peste 0,4…0,5 fluajul vâscos este cel predominant el fiind descris corespunzător de relaţia: (4.3) , unde este o constantă egală cu viteza minimă de fluaj.

Se poate scrie o relaţie unică pentru a descrie diferitele forme de fluaj:(4.4) , unde A şi n sunt constante empirice.

Pentru n = 0 se obţine ecuaţia fluajului vâscos, pentru n = 1 se obţine ecuaţia fluajului logaritmic, iar pentru n = 2/3 rezultă ecuaţia fluajului .

La temperaturi mari difuzia controlează multe procese printre care recoacerea. Prin recoacere este influenţat şi fluajul vâscos.

Viteza de fluaj relativ constantă care caracterizează fluajul vâscos se explică prin apariţia ecruisării. Efectul ei - creşterea limitei de curgere - este balansat de efectele recoacerii care duc la scăderea limitei de curgere.

Recoacerea care produce înmuierea materialului implică difuzia unui mare număr de atomi şi vacanţe a căror energie scade permiţând creşterea mobilităţii dislocaţiilor. Pe de altă parte, difuzia are loc mai uşor de-a lungul limitelor de grăunţi decât în interiorul grăuntelui; astfel se poate explica fluajul mai mare al materialelor cu granulaţie mai fină.

Încă un fenomen care contribuie la producerea fluajului la temperatură ridicată este alunecarea, care diferă de cea de la temperaturi reduse prin creşterea numărului de sisteme pe care se realizează.

Mai mult decât atât, la temperaturi mai înalte se produce odată cu deformaţia şi formarea sublimitelor de grăunţi. Procesul permite mişcarea dislocaţiilor prin căţărare prevenind ecruisarea, uşurând fluajul. Curgerea grăunţilor specifică deformării materialelor policristaline la temperaturi înalte contribuie puţin la deformaţie dar este importantă pentru ruperea produsă prin fluaj.

Pentru fluajul vâscos, viteza minimă de fluaj poate fi exprimată prin ecuaţia:

(4.5) unde este energie de activare , iar A este o constanta.

Variatia vitezei cu tensiunea aplicata respecta relatia: (4.6) , unde B si n sunt constante, (n>1)

Daca se scriu sub forma logaritmica, relatiile de mai sus devin:

(4.7) , unde si

(4.8)

Fig.4.2 variatia vitezei minime de fluaj cu temperatura

Relaţiile de mai sus arată dependenţa liniară care există între logv0 şi 1/T, respectiv între logv0 şi logσ. Această dependenţă este utilă pentru determinarea rezistenţei la fluaj atunci când se foloseşte extrapolarea, figura 4.3.2.1 şi figura 4.3.2.2.

Fig.4.3 Variatia vitezei minime de fluaj cu tensiunile

4.3 Influenţa factorilor metalurgici asupra rezistenţei la fluaj

Rezistenţa la fluaj presupune păstrarea limitei de curgere la valori mari şi în situaţia creşterii temperaturii.

Dacă urmărim mecanismele care produc creşterea limitei de curgere, deci durificarea materialului, observăm care dintre ele sunt dependente de creşterea temperaturii (şi în ce măsură) şi care sunt insensibile faţă de temperatură. Astfel, durificarea obţinută la temperaturi obişnuite prin formarea atmosferelor Cottrell (concentrarea atomilor dislocaţi la dislocaţii) sau cea obţinută prin concentrarea atomilor dizolvaţi la defectele de împachetare nu pot fi menţinute la creşterea temperaturii.

Explicaţia este imediată, la temperaturi mari, difuzia creşte puternic şi distruge concentrările de atomi prin creşterea mobilităţii acestora. La temperaturi echivalente egale cu 0,6…0,7 concentraţia atomilor străini devine foarte mică şi durificarea pe care aceşti atomi o produc poate fi neglijată.

Durificarea obţinută prin precipitare sau cea bazată pe grupări de atomi joacă însă un rol important şi la temperaturi înalte.

Astfel, un material rezistent la fluaj va conţine cu siguranţă particule fine (precipitate) dispersate într-o masă metalică de bază iar viteza de deplasare a dislocaţiilor prin căţărare şi de alunecare peste obstacole este mică; materialele metalice care corespund acestei descrieri sunt cele care cristalizează în sistemul cubic cu feţe centrate şi hexagonal compact.

O granulaţie mare asigură şi ea un plus de rezistenţă la fluaj prin micşorarea suprafeţei limitelor de grăunţi şi îngreunarea suplimentară a difuziei.

4.4 Determinarea comportării la fluaj a materialelor metalice

Comportarea la fluaj a unui material metalic este caracterizată de rezistenţa la fluaj şi de rezistenţa la rupere la fluaj.

Prin rezistenţă la fluaj sau limită de fluaj se înţelege tensiunea maximă, constantă, care acţionând la o temperatură specificată un timp precizat produce o alungire remanentă de o anumită mărime. Limita de fluaj se notează în general cu: , unde εp este alungirea specifică remanentă exprimată în procente, iar τ este timpul de încercare în ore. Astfel, exemplificând, notaţia arată că o alungire de 0,2% se obţine la o solicitare constantă de 11 kgf/mm2 care acţionează timp de 1000 ore.

Tensiunea constantă maximă care poate acţiona asupra unui material, la o anumită temperatură, un timp nelimitat fără să producă ruperea se numeşte rezistenţă teoretică de durată sau rezistenţă teoretică de rupere la fluaj. În practică se utilizează rezistenţa tehnică de rupere la fluaj sau rezistenţa tehnică de durată, definită drept cea mai mare tensiune care acţionând la o temperatură dată provoacă ruperea după un anumit timp. Această mărime se mai numeşte şi rezistenţă de durată sau rezistenţă de rupere la fluaj şi este notată cu unde τ este timpul în ore până la rupere.

Un exemplu de utilizarea a notaţiei de mai înainte, se interpretează prin aceea că ruperea se produce după 1000 de ore la o solicitare de 21 kgf/mm2.

Pentru determinarea corectă a comportării la fluaj a unui material, în timpul încercării trebuie să fie respectate precis condiţiile în care va lucra materialul în exploatare. Există metode de determinare a proprietăţilor de fluaj în condiţii de exploatare (timp mare), însă datorită duratelor de încercare foarte mari, de ordinul anilor, astfel de determinări nu sunt întotdeauna posibile. Aşa stând lucrurile, în practică se mai utilizează încercările de scurtă durată; pentru determinarea proprietăţilor unui material în condiţii de fluaj, prin extrapolarea datelor obţinute la încercări de scurtă durată.

Aceste metode se bazează pe faptul că în coordonate dublu logaritmice limita de fluaj în funcţie de timp, rezistenţa la fluaj în funcţie de timp şi cum s-a mai arătat viteza minimă de fluaj în funcţie de tensiune variază aproape liniar. În fig. 4.3 este arătată variaţia cu timpul a limitei de fluaj şi a rezistenţei de rupere la fluaj pentru un oţel de ţevi, limite obţinute la diferite tensiuni de încercare. Trebuie avut însă în vedere că determinarea proprietăţilor de fluaj cu ajutorul extrapolării, utilizând diagramele logaritmice, poate duce la erori, aceste metode neluând în considerare schimbările structurale care se produc în material în timpul menţinerii la temperaturi înalte. Cu cât extrapolarea se extinde la durate mai mari în raport cu durata încercării, cu atât riscul apariţiei erorilor este mai mare. Utilizarea metodelor parametrice înlătură acest inconvenient al metodelor bazate pe extrapolare. Metodele parametrice au la bază idea că încălzirea unui corp la temperatură ridicată un timp scurt produce aproape aceleaşi transformări structurale ca şi încălzirea în condiţii de serviciu adică încălzirea la o temperatură mai mică însă un timp mai lung.

Fig. 4.4 Variatia cu timpul a limitei de fluaj si arezistentei de rupere la fluaj pentru tevi de otel

Metodele parametrice permit obţinerea proprietăţilor de fluaj ale unui material în condiţii de serviciu (temperatură relativ scăzută şi timp de funcţionare lung), din proprietăţile de fluaj determinate experimental la temperatură ridicată şi timp scurt.

In acest scop se utilizeaza ecuatia (4.4); deoarece rezulta ca timpul cerut pentru a produce o deformatie data sau ruperea este:

(4.9) unde , K si T au aceasi semnificatie ca si ecuatia (4.5)

Logarimand se obtine forma: , (4.10) unde

Presupunand ca si G depind numai de tensiunea aplicata, ecuatia (4.10) este, pentru o

tensiune data, ecuatia unei drepte cu panta si ordonata la origine .

Daca numai variaza cu tensiunea aplicata in timp de G este constant, dreptele pentru diferitele tensiuni au aceeasi ordonata la origine, deci se intersecteaza toate in acelasi punct pe axa ordonatelor, fig. 4.5

Fig. 4.5 Familia de drepte data de ecuatia 4.10 pentru G=constant si

Dacă U a este constant şi G variază cu tensiunea, dreptele date de relaţia (4.3.4.2) sunt paralele pentru diferite tensiuni, figura 4.3.4.2.2. În sfârşit, dacă G şi U a variază cu tensiunea aplicată se obţine o familie de drepte oarecare. Metoda parametrică Larson Miller de determinarea a caracteristicilor la fluaj se bazează pe ipoteza că Ua= f (σ) în timp ce G = const.

Fig. 4.6 familia de drepte de ecuaite 4.11 pentru si U=constant

Notand si

, ecuatia (4.10) se

poate scrie:

(4.11)

sau, ,

unde (4.12)

Constanta C poate fi determinată experimental pentru orice material cu ajutorul unei reprezentări grafice. Cunoscând această constantă se pot calcula valorile parametrului P1 pentru diferite valori ale timpului τ şi temperaturii T şi să se traseze variaţia lui în funcţie de tensiune.

Se obţine astfel o curbă P 1 = f(σ), care se numeşte curba de bază a materialului care este o dreaptă pentru situaţia în care tensiunea se reprezintă pe o scară logaritmică.

Deoarece P1 are aceeaşi valoare pentru diferite combinaţii între τ şi T începând de la durate mici şi temperaturi mari (condiţii de experimentare) până la durate mari şi temperaturi mici (condiţii de serviciu), curba de bază serveşte pentru obţinerea limitei la fluaj sau rezistenţei de rupere la fluaj pentru condiţiile de serviciu (durata de funcţionare τ mare) din datele obţinute la încercări de scurtă durată şi temperatură ridicată.

O altă metodă parametrică este metoda Sherby şi Dorn care se bazează pe ipoteza că

Ua este constantă şi că numai G variază cu tensiunile, adică curbele logτ = f( ) log sunt

paralele.

Se fac notatiile : si , ecuatia (4.3.4.2) se poate rescrie:

(4.13)

Notand din nou : se obtine ecuatia: (4.14)

Unde, ca si in cazul metodei Larson-Miller, este un parametru temperatura-timp; o anumita valoare a acestui parametru corespunde la o varietate infinita de combinatii de temperatura si timp.Calculand valorile lui , pentru diferite perechi timp-temperatura si reprezentand grafic aceste valori in functie de tensiune se obtine o caracteristica, numita curba de baza, care poate fi folosita in mod asemanator curbei Larson-Miller.

O a treia metoda parametrica este metoda Manson-Haferd. Acesta metoda se bazeaza

pe observatia ca in timp ce funcia nu este perfect liniara, functia

prezinta o liniaritate mai mare.

Fig. 4.7 Variatia functiei cu tensiunea aplicata

Acesti cercetatori au descoperit ca treptele se intersecteaza toate intr-un punct de coordonate si fig.4.7

Ecuatia unei drepte din fascicul este: (4.15) unde S este panta dreptei considerate care depinde

de tensiunea aplicata. Mai departe se poate scrie:

(4.16)

Marimea se numeste parametrul Manson-Haferd si este folosita in acelasi mod ca si parametrii si la construira unei noi curbe de baza.