¿Por qué las pruebas de tracción a veces resultan en una ruptura que está en un ángulo de 45 grados con respecto al eje de tracción?

Answer 1

Las pruebas de tracción son la forma más importante de evaluar la resistencia de un material. Consisten en extraer un espécimen con la forma adecuada mientras se mide la velocidad de deformación (con un extensómetro en la sección reducida de la pieza de prueba) y la fuerza. Las pruebas generalmente se realizan (pero no únicamente) en el control de deformación, lo que impone a la máquina una velocidad de deformación constante. Cuando la prueba de tracción se realiza correctamente, permitirán medir propiedades importantes como el módulo de Young (o módulo de elasticidad), el límite elástico, el alargamiento máximo y la resistencia máxima o la resistencia a la tracción máxima (UTS).

Cada vez que tira de una muestra durante una prueba de tracción, se generarán tensiones mecánicas dentro del material. La forma en que estas tensiones se distribuyen dentro del material y cómo el material reacciona a estas tensiones determinará la respuesta elástica y plástica del componente. Su distribución estará íntimamente conectada a la forma exacta de la muestra y puede haber muchos: sección redonda (la más común y estándar), sección cuadrada, sección rectangular, cabezas atornilladas, cabezas planas, etc.

ISO 6892-1: 2009 es la norma que describe el procedimiento de prueba (Materiales metálicos – Prueba de tracción – Parte 1: Método de prueba a temperatura ambiente) y, sobre todo, el tamaño y la forma de las muestras de prueba.

¿Por qué todo este preámbulo? Debido a que la forma de la muestra determina cómo se distribuyen las líneas de tensión en la muestra misma y, sobre todo, cómo se distribuirá el esfuerzo cortante, el corte y la tensión.

A medida que aumenta la fuerza sobre la muestra y tan pronto como se alcanza el límite elástico, el material (si tiene cierta ductilidad, pero no podría ser de otra manera o la prueba de tracción no tendría ninguna razón) comenzará a deformarse plásticamente El movimiento de las dislocaciones . Las dislocaciones son defectos unidimensionales dentro de los cristales que se mueven principalmente (pero no únicamente) a través del esfuerzo cortante en el ” plano de deslizamiento ” (ver la imagen a continuación).

Para simplificar, evitaré describir todas las posibles dislocaciones y tipos de movimiento diferentes en cada tipo de cristal (que tomaría un curso de metalurgia física y sería manierista en esta respuesta). Lo que es importante entender es que las dislocaciones se moverán más fácilmente y con mayor facilidad a través del corte, por lo que se animará más a moverse en los planos de corte del componente. Los granos (la mayoría, casi todos los materiales son policristalinos, no monocristalinos) en esos planos de corte que estarán mejor alineados se deformarán antes debido al mayor esfuerzo de corte resuelto, los que están peor alineados se deformarán después.

A medida que avanza la deformación, se forman nuevas dislocaciones y comenzarán a acumularse e interactuar entre sí (en bosques de dislocaciones, vea la imagen microscópica de transmisión electrónica a continuación).

Esto se llama endurecimiento por deformación y es, por supuesto, un aumento de la resistencia mecánica del material debido a la deformación plástica. La reacción del material es reforzarse a sí mismo a través de la prueba. En cierto punto, las dislocaciones se vuelven tantas y se acumulan tanto que no se crean más dislocaciones. En este punto, el aumento de la tensión debido a la disminución en el área de la sección transversal (causada por la conservación del volumen) se vuelve mayor que el aumento de la tensión que el material puede soportar debido al endurecimiento por deformación. Pero la prueba continúa, tratando de mantener constante la velocidad de deformación y, por lo tanto, aumentando la fuerza. Lo que sucede a continuación se llama inestabilidad (y cuando las cosas son inestables sabes que algo va a salir mal) y dará lugar a un cuello o una deformación plástica localizada de la muestra en una pequeña región dentro del área de prueba (entre los bordes del extensómetro, si todo esta bien). La siguiente imagen es de GEDieter “Mechanical Metalurgy” (muy buena referencia para todos los aficionados ) que nos ayuda a comprender claramente:

El cuello en una muestra cilíndrica de tracción es simétrico alrededor del eje de tracción si el material es isotrópico. Sin embargo, se encuentra un tipo diferente de comportamiento de cuello: un espécimen de tracción con sección transversal rectangular que se corta de una lámina. Para un espécimen de tensión de lámina donde el ancho es mucho mayor gracias al grosor de la lámina, hay dos tipos de inestabilidad del flujo de tracción. El primero es el cuello difuso , llamado así porque su extensión es mucho mayor que el grosor de la lámina. Esta forma de flujo inestable es análoga al cuello formado en una muestra cilíndrica. […] El cuello difuso puede terminar en una fractura, pero a menudo es seguido por un segundo proceso de inestabilidad llamado cuello localizado . En este modo, el cuello es una banda estrecha con un ancho aproximadamente igual al grosor de la hoja inclinado en ángulo con el eje del espécimen, a través del ancho del espécimen. En el cuello localizado no hay cambio en el ancho medido a lo largo del canal del cuello localizado, de modo que el cuello localizado corresponde a un estado de deformación por deformación plana.

Los estados de deformación por deformación plana nos devuelven a la buena mecánica de estado sólido: el plano de corte máximo será de 45 ° con respecto al plano de tensión principal. Esta es la razón por la cual las pruebas de tracción “a veces” resultan en una ruptura que está a un ángulo de 45 ° C con respecto al eje de tracción. En muestras cilíndricas esto se manifiesta en la forma típica de copa y cono de la superficie de fractura (abajo en una muestra de cobre).

Nota : el esfuerzo cortante crítico resuelto y la Ley de Schmid no tienen casi nada que ver con esto, excepto el hecho de que en ambos casos, debido a los pecados y cosenos, el máximo se alcanza a 45 ° y que las dislocaciones dentro de los granos individuales están estresadas y se mueven en consecuencia. El comportamiento macroscópico y la forma de la fractura están, sin embargo, guiados por la mecánica de estado sólido.

Answer 2

Para agregar a la respuesta de Anthony, el movimiento de dislocación en sí mismo no causará rotura; si las dislocaciones se siguen moviendo en el material a medida que se tira, teóricamente podría ser infinitamente plástico y estirarse infinitamente.

Como dice Anthony, el esfuerzo cortante se maximiza y las dislocaciones se deslizarán a medida que el material se deforme plásticamente. Sin embargo, a medida que las dislocaciones se nuclean y multiplican (y, por lo tanto, aumentan en densidad), comienzan a interactuar, ya que cada campo de tensión está asociado con cada dislocación: se enredarán, se “acumularán” y el estrés de flujo aumentará. En algún momento, la tensión de flujo será igual a la tensión necesaria para nuclear y / o propagar una grieta existente a través del material, y se producirá una fractura.
Este fenómeno también puede ocurrir muy localmente, o esencialmente no puede haber movimiento de dislocación, en esencia, hay un gran espectro de comportamiento de plasticidad / fractura / falla, y cada material se comporta de manera ligeramente diferente.

Answer 3

La deformación no reversible (plástica) que ocurre cuando un material se deforma bajo tensión es realmente causada por el esfuerzo cortante, no directamente por el esfuerzo de tracción. Esto se debe a que la deformación plástica se produce cuando los puntos reticulares se deslizan entre sí y luego forman nuevos enlaces. Cuando una dislocación dada está presente en una muestra, un esfuerzo de tracción aplicado que esté en algún ángulo con el plano de la dislocación dará como resultado cierta cantidad de esfuerzo cortante en la dislocación. Esta cantidad se llama esfuerzo cortante resuelto.

La magnitud del esfuerzo cortante resuelto en una dislocación dada depende de la orientación de la dislocación en relación con el eje de tracción. El esfuerzo cortante resuelto se maximiza cuando la dislocación se orienta en un ángulo de 45 grados con respecto a este eje. Como resultado, si todo lo demás es igual, las dislocaciones que están orientadas a 45 grados experimentarán un esfuerzo cortante resuelto mayor y, por lo tanto, se deslizarán preferentemente antes.