Lomová houževnatost

Zkoušky lomové houževnatosti se provádějí za účelem kvantifikace odolnosti materiálu proti porušení trhlinami. Výsledkem těchto zkoušek je buď jednohodnotová míra lomové houževnatosti, nebo křivka odolnosti. Křivky odolnosti jsou grafy, kde jsou parametry lomové houževnatosti (K, J atd.) vyneseny proti parametrům charakterizujícím šíření trhliny. Křivka odolnosti nebo jednohodnotová lomová houževnatost se získává na základě mechanismu a stability lomu. Lomová houževnatost je kritickou mechanickou vlastností pro technické aplikace. K měření lomové houževnatosti materiálů se používá několik typů zkoušek, které obvykle využívají vroubkovaný vzorek v jedné z různých konfigurací. Široce používanou standardizovanou zkušební metodou je Charpyho rázová zkouška, při níž je vzorek s vrubem ve tvaru V nebo U vystaven nárazu zpoza vrubu. Široce používané jsou také zkoušky posunem trhlin, jako jsou zkoušky tříbodovým ohybem nosníku s tenkými trhlinami, které se do zkušebních vzorků před zatížením přednastaví.

Požadavky na zkoušeníEdit

Volba vzorkuEdit

Norma ASTM E1820 pro měření lomové houževnatosti doporučuje tři typy kupónů pro zkoušení lomové houževnatosti, kupón pro ohyb s jedním okrajem , kompaktní tahový kupón a kompaktní tahový kupón ve tvaru disku . každá konfigurace vzorku je charakterizována třemi rozměry, a to délkou trhliny (a), tloušťkou (B) a šířkou (W). Hodnoty těchto rozměrů jsou určeny požadavkem konkrétní zkoušky, která se na vzorku provádí. Převážná většina zkoušek se provádí na kompaktní konfiguraci nebo konfiguraci SENB. Při stejných charakteristických rozměrech vyžaduje kompaktní konfigurace menší množství materiálu ve srovnání s konfigurací SENB.

Orientace materiáluUpravit

Orientace lomu je důležitá kvůli přirozené neizotropní povaze většiny technických materiálů. Díky tomu mohou v materiálu existovat roviny slabosti a růst trhliny podél této roviny může být snazší ve srovnání s jiným směrem. Vzhledem k tomuto významu vypracovala norma ASTM standardizovaný způsob uvádění orientace trhliny vzhledem k ose výkovku. Pro označení podélného, příčného a krátkého příčného směru se používají písmena L, T a S, přičemž podélný směr se shoduje s osou kování. Orientace je definována dvěma písmeny, z nichž první označuje směr hlavního tahového napětí a druhé směr šíření trhliny. Obecně lze říci, že dolní mez houževnatosti materiálu se získá v orientaci, kdy trhlina roste ve směru osy kování.

Před zkouškou je nutné vytvořit ostrou trhlinuEdit

Pro přesné výsledky je nutné před zkouškou vytvořit ostrou trhlinu. Obráběné zářezy a drážky toto kritérium nesplňují. Nejúčinnějším způsobem zavedení dostatečně ostré trhliny je cyklické zatěžování, při kterém z drážky vyroste únavová trhlina. Únavové trhliny se iniciují ve špičce drážky a nechají se rozšiřovat, dokud délka trhliny nedosáhne požadované hodnoty.

Cyklické zatěžování se pečlivě řídí, aby nedošlo k ovlivnění houževnatosti materiálu deformačním zpevněním. Toho se dosáhne volbou cyklického zatížení, které vytváří mnohem menší plastickou zónu ve srovnání s plastickou zónou hlavní trhliny. Například podle normy ASTM E399 by maximální intenzita napětí Kmax neměla být větší než 0,6 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}.

během počáteční fáze a menší než 0,8 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}.

když se trhlina blíží své konečné velikosti.

V některých případech se do boků vzorku lomové houževnatosti vyfrézují drážky tak, aby se tloušťka vzorku podél zamýšlené dráhy rozšíření trhliny zmenšila na minimálně 80 % původní tloušťky. Důvodem je zachování přímého čela trhliny během zkoušky R-křivky.

Níže jsou popsány čtyři hlavní normalizované zkoušky, přičemž zkoušky KIc a KR platí pro lineárně-elastickou lomovou mechaniku (LEFM), zatímco zkoušky J a JR platí pro elasticko-plastickou lomovou mechaniku (EPFM)

Stanovení rovinné deformační lomové houževnatostiUpravit

Když se materiál před porušením chová lineárně pružně, tak, že plastická zóna je v porovnání s rozměry vzorku malá, může být vhodným parametrem lomu kritická hodnota součinitele intenzity napětí Mode-I. Tato metoda poskytuje kvantitativní míru lomové houževnatosti v podobě kritického faktoru intenzity napětí v rovině deformace. Zkouška musí být po dokončení validována, aby se zajistila smysluplnost výsledků. Velikost vzorku je pevně stanovena a musí být dostatečně velká, aby byly zajištěny podmínky rovinné deformace na hrotu trhliny.

Tloušťka vzorku ovlivňuje stupeň omezení na hrotu trhliny, což zase ovlivňuje hodnotu lomové houževnatostiLomová houževnatost klesá s rostoucí velikostí vzorku, dokud se nedosáhne plató. Požadavky na velikost vzorků v normě ASTM E 399 mají zajistit, aby K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}} byla v lomové síle.

měření odpovídají plošné deformační plošině tím, že se zajistí, aby vzorek lámal za nominálně lineárních elastických podmínek. To znamená, že plastická zóna musí být v porovnání s průřezem vzorku malá. Současná verze normy E 399 povoluje čtyři konfigurace vzorků: kompaktní, SE(B), ve tvaru oblouku a ve tvaru disku. Vzorky pro K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}

Zkoušky se obvykle vyrábějí s šířkou W rovnou dvojnásobku tloušťky B. Jsou únavově předpraskané tak, aby poměr délky trhliny k šířce (a /W) ležel v rozmezí 0,45 až 0,55. Konstrukce vzorku je tedy taková, že všechny klíčové rozměry, a, B a W-a, jsou přibližně stejné. Tato konstrukce vede k efektivnímu využití materiálu, protože norma vyžaduje, aby každý z těchto rozměrů byl v porovnání s plastickou zónou velký. Zkouška lomové houževnatosti při rovinné deformaci

Při provádění zkoušky lomové houževnatosti jsou nejběžnějšími konfiguracemi zkušebních vzorků vzorky s jedním okrajovým vrubem (SENB nebo tříbodový ohyb) a kompaktní vzorky v tahu (CT). Zkoušky ukázaly, že podmínky rovinné deformace obecně převládají, když:

B , a ≥ 2,5 ( K I C σ YS ) 2 {\displaystyle B,a\geq 2,5\left({\frac {K_{IC}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}}.

kde B {\displaystyle B}

je minimální potřebná tloušťka, K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}.

lomová houževnatost materiálu a σ YS {\displaystyle \sigma _{\text{YS}}}.

je mez kluzu materiálu.

Zkouška se provádí rovnoměrným zatěžováním takovou rychlostí, aby se KI zvýšila z 0,55 na 2,75 (MPa m {\displaystyle {\sqrt {m}}}

)/s. Během zkoušky se zaznamenává zatížení a posunutí ústí trhliny (CMOD) a zkouška pokračuje až do dosažení maximálního zatížení. Z grafu závislosti zatížení na CMOD se vypočítá kritické zatížení <PQ. Předběžná houževnatost KQ je dána jako K Q = P Q W B f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}{{\sqrt {W}}B}}f(a/W,…)}

.

Geometrický faktor f ( a / W , . . . ) {\displaystyle f(a/W,…)}

je bezrozměrná funkce a / W a v normě E 399 se uvádí v polynomickém tvaru. Geometrický faktor pro kompaktní zkušební geometrii naleznete zde. Tato předběžná hodnota houževnatosti je uznána za platnou, pokud jsou splněny následující požadavky: m i n ( B , a ) > 2,5 ( K Q σ YS ) 2 {\displaystyle min(B,a)>2,5\left({\frac {K_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}}}.

a P m a x ≤ 1,1 P Q {\displaystyle P_{max}\leq 1,1P_{Q}}

Při zkoušení materiálu s neznámou lomovou houževnatostí se zkouší vzorek o plné tloušťce průřezu materiálu nebo se vzorek dimenzuje na základě předpovědi lomové houževnatosti. Pokud hodnota lomové houževnatosti vyplývající ze zkoušky nesplňuje požadavek výše uvedené rovnice, musí se zkouška opakovat s použitím silnějšího vzorku. Kromě tohoto výpočtu tloušťky mají zkušební specifikace několik dalších požadavků, které musí být splněny (např. velikost smykových rtů), aby bylo možné říci, že výsledkem zkoušky je hodnota KIC.

Pokud zkouška nesplňuje požadavky na tloušťku a další požadavky na prostou deformaci, dostane získaná hodnota lomové houževnatosti označení Kc. Někdy není možné vyrobit vzorek, který splňuje požadavek na tloušťku. Například když se zkouší relativně tenká deska s vysokou houževnatostí, nemusí být možné vyrobit silnější vzorek s rovinnými deformačními podmínkami na hrotu trhliny.

Stanovení R-křivky, K-REdit

Vzorek vykazující stabilní růst trhliny vykazuje rostoucí trend lomové houževnatosti s rostoucí délkou trhliny (tvárné rozšíření trhliny). Tento graf závislosti lomové houževnatosti na délce trhliny se nazývá křivka odolnosti (R). Norma ASTM E561 uvádí postup pro stanovení křivek závislosti houževnatosti na růstu trhliny v materiálech. Tato norma nemá omezení týkající se minimální tloušťky materiálu, a proto ji lze použít pro tenké plechy, avšak aby byla zkouška platná, musí být splněny požadavky na LEFM. Kritéria pro LEFM v podstatě uvádějí, že rozměr v rovině musí být velký ve srovnání s plastickou zónou. Existuje mylná představa o vlivu tloušťky na tvar R křivky. Naznačuje se, že u stejného materiálu tlustší řez selhává rovinným deformačním lomem a vykazuje jednohodnotovou lomovou houževnatost, tenčí řez selhává rovinným napěťovým lomem a vykazuje stoupající R-křivku. Hlavním faktorem, který řídí sklon křivky R, je však morfologie lomu, nikoliv tloušťka. U některých materiálů mění tloušťka řezu morfologii lomu z tvárného trhání na štěpení od tenkého k tlustému řezu, a v takovém případě diktuje sklon křivky R pouze tloušťka. Existují případy, kdy při stoupající R-křivce následuje dokonce rovinný deformační lom v důsledku „koalescence mikrodutin“, která je způsobem porušení.

Nejpřesnější způsob vyhodnocení K-R křivky je zohlednění přítomnosti plasticity v závislosti na relativní velikosti plastické zóny. Pro případ zanedbatelné plasticity se ze zkoušky získá křivka závislosti zatížení na posunutí a v každém bodě se zjistí poddajnost. Poddajnost je reciproká hodnota sklonu křivky, která bude následovat, pokud bude vzorek v určitém bodě odlehčen, což lze pro LEFM udat jako poměr posunutí k zatížení. Poddajnost se používá k určení okamžité délky trhliny pomocí vztahu uvedeného v normě ASTM.

Intenzita napětí by měla být korigována výpočtem efektivní délky trhliny. Norma ASTM navrhuje dva alternativní přístupy. První metoda se nazývá Irwinova korekce na plastickou zónu. Irwinův přístup popisuje efektivní délku trhliny a eff {\displaystyle a_{\text{eff}}.

jako a eff = a + 1 2 π ( K σ Y S ) 2 {\displaystyle a_{\text{eff}}=a+{\frac {1}{2\pi }}\left({\frac {K}{\sigma _{YS}}}\right)^{2}}}

Irwinův přístup vede k iteračnímu řešení, protože samotné K je funkcí délky trhliny.

Druhá metoda, konkrétně sekantová metoda, používá rovnici poddajnost-délka trhliny danou normou ASTM pro výpočet efektivní délky trhliny z efektivní poddajnosti. Shoda v libovolném bodě křivky závislosti zatížení na posunutí je v podstatě reciproká hodnota sklonu křivky, která vznikne, pokud je vzorek v tomto bodě nezatížen. Nyní se křivka odlehčení vrací k počátku pro lineární pružný materiál, ale ne pro pružný plastický materiál, protože dochází k trvalé deformaci. Efektivní poddajnost v bodě pro případ pružného plastu se bere jako sklon přímky spojující bod a počátek (tj. poddajnost, kdyby byl materiál pružný). Tato efektivní poddajnost se použije k získání efektivního růstu trhliny a zbytek výpočtu se řídí rovnicí

K I = P W B f ( a eff / W , . . . ) {\displaystyle K_{I}={\frac {P}{{\sqrt {W}}B}}f(a_{\text{eff}}/W,…)}

Volba korekce plasticity je závislá na velikosti plastické zóny. Podle normy ASTM pokrývající křivku odolnosti je použití Irwinovy metody přijatelné pro malou plastickou zónu a doporučuje použít Secantovu metodu, pokud je plasticita na vrcholu trhliny výraznější. Protože norma ASTM E 561 rovněž neobsahuje požadavky na velikost vzorku nebo maximální přípustné rozšíření trhliny, není zaručena nezávislost křivky odolnosti na velikosti. Několik studií ukazuje, že závislost na velikosti je v experimentálních datech u Secantovy metody zjištěna v menší míře.

Stanovení JICEdit

Rychlost uvolňování deformační energie na jednotku plochy lomu se vypočítá pomocí metody J-integrálu, což je obrysový integrál dráhy kolem hrotu trhliny, kde dráha začíná a končí na obou plochách trhliny. Hodnota J-houževnatosti znamená odolnost materiálu z hlediska množství energie napětí potřebné k růstu trhliny. Hodnota houževnatosti JIC se měří u pružně-plastických materiálů. Nyní se jednohodnotová hodnota JIC určuje jako houževnatost v blízkosti počátku tvárného rozšíření trhliny (vliv deformačního zpevnění není důležitý). Zkouška se provádí při vícenásobném zatížení každého ze vzorků na různé úrovně a při odlehčení. Tím se získá poddajnost ústí trhliny, která se použije k získání délky trhliny pomocí vztahů uvedených v normě ASTM E 1820, která se zabývá zkoušením J-integrálem. Dalším způsobem měření růstu trhliny je označení vzorku tepelným tónováním nebo únavovým praskáním. Vzorek se nakonec rozlomí a pomocí značek se změří prodloužení trhliny.

Takto provedená zkouška dává několik křivek závislosti zatížení na posunu otevření ústí trhliny (CMOD), které se používají k výpočtu J takto:-

J = J e l + J p l {\displaystyle J=J_{el}+J_{pl}}.

Lineární elastický J se vypočítá pomocí

J e l = K 2 ( 1 – ν 2 ) E {\displaystyle J_{el}={\frac {K^{2}\left(1-\nu ^{2}\right)}{E}}}.

a K se určí z K I = P W B B N f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{I}={\frac {P}{\sqrt {WBB_{N}}}}f(a/W,….)}

kde BN je čistá tloušťka pro vzorek s bočním rýhováním a rovná se B pro vzorek bez bočního rýhování

Pružný plast J se vypočítá pomocí

J p l = η A p l B N b o {\displaystyle J_{pl}={\frac {\eta A_{pl}}{B_{N}b_{o}}}}

Kde η {\displaystyle \eta }

=2 pro vzorek SENB

bo je počáteční délka vazby daná rozdílem mezi šířkou a počáteční délkou trhliny

APl je plastická plocha pod křivkou zatížení-posunutí.

Pro získání předběžného JQ se používá specializovaná technika redukce dat. Hodnota je přijata, pokud je splněno následující kritérium

min ( B , b o ) ≥ 25 J Q σ YS {\displaystyle \min(B,b_{o})\geq {\frac {25J_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}}

Stanovení odolnosti proti roztržení (Kahnova trhací zkouška)Edit

Trhací zkouška (např. Kahnova trhací zkouška) poskytuje semikvantitativní měření houževnatosti ve smyslu odolnosti proti roztržení. Tento typ zkoušky vyžaduje menší vzorek, a proto jej lze použít pro širší škálu forem výrobků. Zkoušku na roztržení lze také použít pro velmi tvárné hliníkové slitiny (např. 1100, 3003), kde se neuplatňuje lineární elastická lomová mechanika.

Standardní zkušební metodyEdit

Řada organizací vydává normy týkající se měření lomové houževnatosti, konkrétně ASTM, BSI, ISO, JSME.

• ASTM C1161 Zkušební metoda pro pevnost v ohybu pokročilé keramiky při teplotě okolí
• ASTM E399 Zkušební metoda pro rovinnou deformaci lomové houževnatosti kovových materiálů
• ASTM E740 Praxe pro zkoušení lomové houževnatosti s povrchovou…Crack Tension Specimens
• ASTM E1820 Standardní zkušební metoda pro měření lomové houževnatosti
• ASTM E1823 Terminologie týkající se únavových a lomových zkoušek
• ISO 12135 Kovové materiály – Jednotná zkušební metoda pro stanovení kvazistatické lomové houževnatosti
• ISO 28079:2009, Palmqvistova metoda, používaná ke stanovení lomové houževnatosti pro cementované karbidy.