Frattura duttile, noto anche comefrattura plasticaOfrattura da sovraccarico per trazione, si riferisce a un tipo di frattura che si verifica quando il carico applicato a un materiale metallico supera il suo limite di snervamento, provocando una significativa deformazione plastica macroscopica prima della frattura. Pertanto, viene anche indicato comefrattura da sovraccarico duttile.
Un tipico esempio è la frattura di un provino liscio sottoposto a carico statico monoassiale, come mostrato nella figura seguente. La superficie della frattura presenta una chiarastrizionefenomeno in prossimità della pausa. Macroscopicamente, la superficie di frattura ha atazza-e-conoforma: appare la regione centralefibrosoEgrigio scuroa colori, generalmente orientatoperpendicolarealla direzione della sollecitazione di trazione, mentre la regione esterna presentalabbra tagliatequella forma a circa aAngolo di 45 gradiall'asse di trazione.
Nelle applicazioni pratiche, la forma dei componenti e le forze a cui sono soggetti possono essere piuttosto complesse, quindi le caratteristiche macroscopiche della morfologia della frattura potrebbero non essere ovvie. Tuttavia, la base principale per distinguere trafrattura duttileEfrattura fragileè la presenza o l'assenza di una significativa deformazione plastica macroscopica in prossimità della frattura.
Dal punto di vista del meccanismo di frattura nei materiali metallici, si distinguono due tipologie principali:separazione dello scivoloneEfrattura fossetta duttile.
Separazione delle scivolatesi riferisce al fenomeno in cui, sotto forza esterna, gli atomi all'interno della struttura cristallina del materiale subiscono uno scorrimento relativo lungo specifici piani e direzioni cristalline a causa dello stress di taglio, noto comescontrino. Quando questo scorrimento avviene in modo discontinuo o irregolare, o quando è ostacolato ai confini dei grani, ai confini di fase o ad altre interfacce, si formano piccoli spazi o crepe in queste posizioni, portando aseparazione dello scivolone. La frattura pura da separazione per scorrimento è relativamente rara nei materiali metallici.
Frattura fossetta duttileè il tipo più comune. Il meccanismo per la formazione e la propagazione delle cricche in questa modalità è il seguente: i materiali metallici contengono varie discontinuità come vuoti, inclusioni, particelle di seconda-fase, bordi di grano e bordi di fase. Quando sottoposto a stress da sovraccarico (superiore al limite di snervamento), si sviluppano concentrazioni di stress in queste regioni locali, causando deformazione plastica. Man mano che la deformazione progredisce, in corrispondenza di queste discontinuità o interfacce si formano microvuoti. Man mano che la tensione continua ad aumentare, i microvuoti crescono e si uniscono, collegandosi infine per formare microfessure. Sotto stress continuo, queste microfessure si espandono lentamente fino a raggiungere una dimensione critica, portando alla frattura. Questi microvuoti sono indicati comefossette duttili(Opozzi di plastica). La morfologia tipica delle fossette duttili osservate al SEM è mostrata nella figura seguente, dove si possono vedere anche particelle o inclusioni della seconda-fase sul fondo delle fossette.
Sotto diversi stati di stress, la morfologia difossette duttilianche su una frattura duttile varia. Generalmente si possono classificare in tre tipologie:fossette equiassiche(sotto sforzo di trazione),fossette lacrimali(sotto stress da strappo, Modalità I), efossette di taglio(sotto sforzo di taglio, Modo II e Modo III).
Nell'analisi pratica della morfologia delle fratture, si osserva spesso che tutti e tre i tipi difossetta duttilepossono apparire morfologie. Ciò è generalmente dovuto al complesso stato di sollecitazione sperimentato dal materiale o, in condizioni di sollecitazione semplice, man mano che la fessura si propaga, si verificano cambiamenti di sollecitazione locale, con conseguenti differenze nella morfologia delle fossette.
Inoltre, non possiamo semplicemente determinare che si tratti di una fratturaduttilein base alla presenza di numerose fossette nell'area locale della frattura. Le fossette duttili non sono una condizione necessaria e sufficiente perfrattura duttile, perché in situazioni reali, moltifratture mistepuò verificarsi, come ad esempiofratture di quasi-scissione. Pertanto, è ancora necessario combinare l’analisi macroscopica e microscopica per determinare il tipo di frattura, comprendere il meccanismo di rottura, identificare la causa principale del cedimento della frattura e proporre suggerimenti per migliorare il materiale, la progettazione dei componenti, i processi di produzione e gli ambienti di utilizzo.
In quali condizioni è più probabile che si verifichi la frattura duttile? Qualsiasi fattore che aumentaduttilità(riducefragilità) favorirà il verificarsi di fratture duttili. I seguenti punti riassumono i fattori chiave:
Microstruttura superiore:Microstrutture diverse possono portare a fratture diverse nelle stesse condizioni. Ad esempio, la martensite rinvenuta ha una duttilità migliore, mentre la perlite + ferrite ha una duttilità relativamente inferiore. Il primo ha maggiori probabilità di subire una frattura duttile.
Struttura-a grana fine:In generale, più i grani sono fini, migliore è la duttilità. Inoltre, i difetti nelle strutture a grana fine- sono spesso più piccoli, quindi per la frattura è necessario uno stress maggiore.
Inclusioni tenaci o particelle della seconda-fase:Le inclusioni tenaci o le particelle della seconda-fase generalmente non riducono la duttilità del materiale. A volte, una seconda fase plastica può addirittura migliorare la duttilità del materiale. Come mostrato nello schema seguente, ilfossette duttilicontengono una quantità significativa di inclusioni di solfuro di tipo A, ma il materiale presenta ancorafrattura da sovraccarico duttile.
Materie prime pure:Migliorare la purezza del materiale, ad esempio prestando attenzione all'introduzione di impurità esterne durante la produzione dell'acciaio, riducendo le impurità dannose nel materiale e minimizzando la possibilità difragilità intergranulareEinclusioni fragili della seconda-fase.
Buona progettazione strutturale:Evitare concentrazioni di sollecitazioni, come la riduzione di spigoli vivi, intagli, ecc., e progettare una struttura che garantisca una distribuzione uniforme del carico.
Buon ambiente operativo (temperatura, condizioni medie, ecc.):Riduzione al minimo dell'esposizione a mezzi corrosivi e ambienti a bassa-temperatura. Se tali condizioni sono richieste, è necessario considerare la sensibilità ambientale durante la progettazione del materiale.
Perfrattura duttile, nelle applicazioni pratiche, consente deformazioni significative senza fratture improvvise. Pertanto, da questa prospettiva, rispetto afrattura fragile, la frattura duttile è una modalità di frattura più accettabile. Tuttavia, se i processi di progettazione, produzione e utilizzo dei materiali vengono adeguatamente controllati in ogni fase, è possibile evitare inutili incidenti di frattura, riducendo le perdite di proprietà sia per le aziende che per le nazioni.