όλκιμο κάταγμα, επίσης γνωστό ωςπλαστικό κάταγμαήκάταγμα υπερφόρτισης εφελκυσμού, αναφέρεται σε έναν τύπο θραύσης που συμβαίνει όταν το φορτίο που εφαρμόζεται σε ένα μεταλλικό υλικό υπερβαίνει την αντοχή διαρροής του, με αποτέλεσμα σημαντική μακροσκοπική πλαστική παραμόρφωση πριν από τη θραύση. Ως εκ τούτου, αναφέρεται επίσης ωςόλκιμο κάταγμα υπερφόρτωσης.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η θραύση ενός λείου δοκιμίου εφελκυσμού υπό μονοαξονική στατική φόρτιση, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η επιφάνεια του κατάγματος παρουσιάζει διαυγήλαιμόκοψηφαινόμενο κοντά στο διάλειμμα. Μακροσκοπικά, η επιφάνεια του κατάγματος έχει αφλιτζάνι-και-κώνοςσχήμα: εμφανίζεται η κεντρική περιοχήινώδηςκαισκούρο γκρισε χρώμα, γενικά προσανατολισμένοκάθετοςπρος την κατεύθυνση της τάσης εφελκυσμού, ενώ η εξωτερική περιοχή χαρακτηρίζεταικουρεμένα χείληπου σχηματίζονται σε περίπου αΓωνία 45 μοιρώνπρος τον άξονα εφελκυσμού.
Σε πρακτικές εφαρμογές, το σχήμα των εξαρτημάτων και οι δυνάμεις που υφίστανται μπορεί να είναι αρκετά περίπλοκα, επομένως τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά μορφολογίας κατάγματος μπορεί να μην είναι προφανή. Ωστόσο, η πρωταρχική βάση για τη διάκριση μεταξύόλκιμο κάταγμακαιεύθραυστο κάταγμαείναι η παρουσία ή η απουσία σημαντικής μακροσκοπικής πλαστικής παραμόρφωσης κοντά στο κάταγμα.
Από την άποψη του μηχανισμού θραύσης σε μεταλλικά υλικά, υπάρχουν δύο κύριοι τύποι:διαχωρισμός ολίσθησηςκαιόλκιμο κάταγμα λακκάκι.
Διαχωρισμός ολίσθησηςαναφέρεται στο φαινόμενο όπου, υπό εξωτερική δύναμη, τα άτομα εντός της κρυσταλλικής δομής του υλικού βιώνουν σχετική ολίσθηση κατά μήκος συγκεκριμένων κρυσταλλικών επιπέδων και κατευθύνσεων λόγω διατμητικής τάσης, η οποία είναι γνωστή ωςολίσθημα. Όταν αυτή η ολίσθηση συμβαίνει ασυνεχώς ή ανομοιόμορφα, ή όταν παρεμποδίζεται στα όρια των κόκκων, στα όρια φάσης ή σε άλλες διεπαφές, σχηματίζονται μικρά κενά ή ρωγμές σε αυτές τις θέσεις, που οδηγούν σεδιαχωρισμός ολίσθησης. Το καθαρό κάταγμα διαχωρισμού ολίσθησης είναι σχετικά σπάνιο σε μεταλλικά υλικά.
Κάταγμα όλκιμο λακκάκιείναι ο πιο κοινός τύπος. Ο μηχανισμός σχηματισμού ρωγμών και διάδοσης σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας είναι ο εξής: τα μεταλλικά υλικά περιέχουν διάφορες ασυνέχειες όπως κενά, εγκλείσματα, σωματίδια δεύτερης-φάσης, όρια κόκκων και όρια φάσεων. Όταν υπόκεινται σε υπερφόρτωση (που υπερβαίνει την αντοχή διαρροής), οι συγκεντρώσεις τάσεων αναπτύσσονται σε αυτές τις τοπικές περιοχές, προκαλώντας πλαστική παραμόρφωση. Καθώς η παραμόρφωση εξελίσσεται, σχηματίζονται μικροκενά σε αυτές τις ασυνέχειες ή διεπαφές. Καθώς το στέλεχος συνεχίζει να αυξάνεται, τα μικροκενά μεγαλώνουν και συνενώνονται, τελικά συνδέονται για να σχηματίσουν μικρορωγμές. Υπό συνεχή πίεση, αυτές οι μικρορωγμές διαστέλλονται αργά μέχρι να φτάσουν σε ένα κρίσιμο μέγεθος, οδηγώντας σε θραύση. Αυτά τα μικροκενά αναφέρονται ωςόλκιμα λακκάκια(ήπλαστικοί λάκκοι). Η τυπική μορφολογία των όλκιμων βαθουλωμάτων που παρατηρούνται στο SEM φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, όπου σωματίδια ή εγκλείσματα δεύτερης φάσης-μπορούν επίσης να φανούν στο κάτω μέρος των λακκών.
Κάτω από διαφορετικές καταστάσεις στρες, η μορφολογία τουόλκιμα λακκάκιασε ένα όλκιμο κάταγμα ποικίλλει επίσης. Γενικά, μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις τύπους:ισοαξονικά λακκάκια(υπό τάση εφελκυσμού),λακκάκια δακρύων(υπό λυσσασμένο στρες, Λειτουργία Ι) καιλακκάκια διάτμησης(υπό διατμητική τάση, Mode II και Mode III).
Στην πρακτική ανάλυση μορφολογίας κατάγματος, συχνά παρατηρείται ότι και οι τρεις τύποιόλκιμο λακκάκιμπορεί να εμφανιστούν μορφολογίες. Αυτό οφείλεται γενικά στη σύνθετη κατάσταση τάσης που βιώνει το υλικό ή, υπό απλές συνθήκες καταπόνησης, καθώς διαδίδεται η ρωγμή, συμβαίνουν τοπικές αλλαγές τάσης, με αποτέλεσμα διαφορές στη μορφολογία των βαθουλωμάτων.
Επιπλέον, δεν μπορούμε απλά να προσδιορίσουμε ότι πρόκειται για κάταγμαελατόςμε βάση την παρουσία πολυάριθμων λακκών στην περιοχή του τοπικού κατάγματος. Τα όλκιμα λακκάκια δεν είναι απαραίτητη και επαρκής προϋπόθεση γιαόλκιμο κάταγμα, γιατί σε πραγματικές καταστάσεις, πολλάμικτά κατάγματαμπορεί να συμβεί, όπως π.χοιονεί-κατάγματα διάσπασης. Επομένως, εξακολουθεί να είναι απαραίτητος ο συνδυασμός μακροσκοπικής και μικροσκοπικής ανάλυσης για τον προσδιορισμό του τύπου θραύσης, την κατανόηση του μηχανισμού αστοχίας, τον εντοπισμό της βασικής αιτίας της αστοχίας του κατάγματος και την πρόταση προτάσεων για τη βελτίωση του υλικού, του σχεδιασμού εξαρτημάτων, των διαδικασιών κατασκευής και των περιβαλλόντων χρήσης.
Κάτω από ποιες συνθήκες είναι πιο πιθανό να συμβεί όλκιμο κάταγμα; Κάθε παράγοντας που αυξάνεταιεύπλαστο(μειώνειεύθραυστο) θα προωθήσει την εμφάνιση όλκιμου κατάγματος. Τα ακόλουθα σημεία συνοψίζουν τους βασικούς παράγοντες:
Ανώτερη μικροδομή:Διαφορετικές μικροδομές μπορεί να οδηγήσουν σε διαφορετικά κατάγματα υπό τις ίδιες συνθήκες. Για παράδειγμα, ο σκληρυμένος μαρτενσίτης έχει καλύτερη ολκιμότητα, ενώ ο περλίτης + φερρίτης έχει σχετικά χαμηλότερη ολκιμότητα. Το πρώτο είναι πιο πιθανό να παρουσιάσει όλκιμο κάταγμα.
Λεπτή-κοκκώδης δομή:Γενικά, όσο λεπτότεροι είναι οι κόκκοι, τόσο καλύτερη είναι η ολκιμότητα. Επιπλέον, τα ελαττώματα σε δομές με λεπτές κόκκους-είναι συχνά μικρότερες, επομένως απαιτείται μεγαλύτερη τάση για θραύση.
Σκληρά εγκλείσματα ή σωματίδια δεύτερης-φάσης:Τα σκληρά εγκλείσματα ή τα σωματίδια δεύτερης-φάσης γενικά δεν μειώνουν την ολκιμότητα του υλικού. Μερικές φορές, μια πλαστική δεύτερη φάση μπορεί ακόμη και να βελτιώσει την ολκιμότητα του υλικού. Όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα, τοόλκιμα λακκάκιαπεριέχουν σημαντική ποσότητα εγκλεισμάτων σουλφιδίου Τύπου Α, αλλά το υλικό εξακολουθεί να εμφανίζεταιόλκιμο κάταγμα υπερφόρτωσης.
Καθαρές πρώτες ύλες:Βελτίωση της καθαρότητας του υλικού, όπως η προσοχή στην εισαγωγή εξωτερικών στοιχείων ακαθαρσίας κατά την κατασκευή χάλυβα, η μείωση των επιβλαβών ακαθαρσιών στο υλικό και η ελαχιστοποίηση της πιθανότηταςδιακοκκώδη ευθραυστότητακαιδεύτερης-φάσης εύθραυστα εγκλείσματα.
Καλός δομικός σχεδιασμός:Αποφυγή συγκεντρώσεων τάσεων, όπως μείωση αιχμηρών γωνιών, εγκοπών κ.λπ., και σχεδιασμός κατασκευής που εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή φορτίου.
Καλό περιβάλλον λειτουργίας (θερμοκρασία, μεσαίες συνθήκες, κ.λπ.):Ελαχιστοποίηση της έκθεσης σε διαβρωτικά μέσα και σε περιβάλλοντα χαμηλής- θερμοκρασίας. Εάν απαιτούνται τέτοιες συνθήκες, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η περιβαλλοντική ευαισθησία κατά τον σχεδιασμό του υλικού.
Γιαόλκιμο κάταγμα, σε πρακτικές εφαρμογές, επιτρέπει σημαντική παραμόρφωση χωρίς ξαφνική θραύση. Επομένως, από αυτή την άποψη, σε σύγκριση μεεύθραυστο κάταγμα, ductile fracture is a more acceptable mode of fracture. However, if the material design, production, and usage processes are properly controlled at each stage, unnecessary fracture incidents can be avoided, reducing property losses for both businesses and nations.
