Mecànica de fractura: fissures, tenacitat i fluència

Zona plàstica al vèrtex d'una fissura

La zona plàstica al vèrtex de la fissura relaxa parcialment les tensions singulars previstes per l'elasticitat lineal i arrodoneix la punta de la fissura. D'aquesta manera la tensió màxima real es limita aproximadament a la tensió de fluència del material, i el camp elàstic vàlid comença a una certa distància del vèrtex.

Tensió plana

Les cares lliures permeten deformacions fora del pla i la component σ_z és pràcticament nul·la; l'estat de tensió és biaxial i l'energia de deformació per unitat de volum és menor. S'arriba a condicions de tensió plana fent servir provetes relativament primes (gruix petit respecte a la longitud de fissura i altres dimensions) o zones properes a superfícies lliures, on les tensions fora del pla poden relaxar-se.

Deformació plana

L'estat és triaxial; això incrementa l'energia de deformació i fa que el material sigui més fràgil al centre de provetes gruixudes (gruix gran respecte a la longitud de fissura), on les restriccions geomètriques impedeixen l'allargament fora del pla. Per això el valor normatiu de tenacitat K_Ic se sol definir en condicions de deformació plana, que representen el cas més crític.

Assaig per fatiga: corba da/dN

• Regió 1: la fissura propaga lentament o no propaga.
• Regió 2: la fissura propaga a velocitat quasi constant (regió de Paris–Erdogan); llavors complirà l'equació de Paris–Erdogan: da/dN = A (ΔK)ⁿ, amb A = 10^-11.
• Regió 3: la fissura creix molt ràpidament i acaba en fractura. La corba agafa pendent a mesura que K_max s'acosta a K_c.

Efecte del tremp i reveniment

L'acer trempat parteix d'una microestructura martensítica molt dura: alta tensió de fluència i resistència, però deformació plàstica molt petita i trencament fràgil. Tremp més reveniment a 200–400–600 °C:

• 200 °C: encara molt resistent i bastant fràgil (corba propera al trempat).
• 400 °C: resistència intermèdia i clara millora de l'allargament abans de la ruptura.
• 600 °C: resistència molt més baixa però gran camp plàstic; comportament més tenac.

Acer recuit: l'estat recuit mostra la resistència més baixa però l'allargament més gran, amb una corba llarga i suau; microestructura de ferrita + perlita gruixuda amb gran ductilitat. Les corbes "engineering" utilitzen l'àrea inicial i per això, després de l'estricció, la tensió aparent baixa; en canvi, les corbes reals usen l'àrea instantània i segueixen pujant fins al trencament, mostrant millor l'enduriment per deformació.

Superplasticitat

La superplasticitat és la capacitat d'un material de suportar grans deformacions plàstiques sense fractura. Aquest fenomen es dóna a altes temperatures, sota condicions de deformació específiques, amb mida de gra petita i velocitats de deformació baixes. A més, no apareix estricció en la superplasticitat.

Mecanismes principals de fluència

Mecanismes principals de fluència: fluència per difusió, fluència per lliscament als límits de gra (Coble) i fluència per escalada de dislocacions (climb + glide).

• Fluència per dislocacions (climb + glide): les dislocacions s'enreden en obstacles, però a altes temperatures poden escalar i llavors absorbeixen o emeten vacants per moure's fora del seu pla de lliscament. És un procés irreversible.
• Fluència per difusió: les vacants difonen a través del volum del gra, des de zones d'excés cap a zones de dèficit; això es dona a altes temperatures i baixes tensions. El procés és reversible i no deixa defectes permanents.
• Fluència per lliscament de límits de gra (Coble): les vacants difonen als límits de gra, es mouen i produeixen fluència. Com més petita és la mida de gra, més alta és la velocitat de fluència.

COD i J-integral

COD (Crack Opening Displacement) és el desplaçament físic entre les cares de la fissura just a la punta, que mesura quanta deformació plàstica local pot absorbir el material abans de trencar-se. En materials dúctils, la punta de la fissura no és perfecta sinó que s'arrodoneix per plasticitat; quan aquest espai s'obre prou, els enllaços atòmics fallen i la fissura avança. És un concepte de la mecànica elàstic-plàstica que connecta la geometria real de la deformació amb la capacitat de resistir fractura.

J-integral representa l'energia necessària per avançar la fissura un petit pas, calculada com un contorn al voltant de la punta que és independent del camí escollit (per conservació d'energia). És una mesura universal de tenacitat que funciona tant per materials fràgils com dúctils. Rice va mostrar que J és proporcional al COD, unificant els dos enfocaments.

Fractura ambiental i SCC

La fractura ambiental consisteix en la nucleació i propagació de fissures sota una tensió a tracció i en presència d'un medi actiu corrosiu. És pròpia de polímers termoplàstics.

El subíndex K_ISCC és el factor d'intensitat de tensions crític en presència de medi corrosiu; és a dir, el valor de K_I per sota del qual no es produeix corrosió sota tensió (SCC) i per sobre del qual la fissura comença a propagar-se assistida pel medi. Exemple: un acer d'alta resistència pot tenir K_Ic alt en aire sec, però un K_ISCC molt més baix en aigua amb clorurs.

Notes sobre dislocacions

Dislocacions: moltes dislocacions → deformació plàstica. Si no s'avança, no es generen noves dislocacions.

Termofluència

Termofluència: fenomen que condueix a la deformació permanent de materials com a conseqüència d'esforços subelàstics durant un temps relativament llarg per damunt d'una temperatura determinada.