Murtumissitkeys

Murtumissitkeyskokeet suoritetaan materiaalin murtumiskestävyyden määrittelemiseksi. Tällaisten testien tuloksena saadaan joko yksiarvoinen murtumiskestävyyden mitta tai kestävyyskäyrä. Vastuskäyrät ovat kuvaajia, joissa murtumissitkeysparametrit (K, J jne.) on piirretty särön etenemistä kuvaavia parametreja vastaan. Vastuskäyrä tai yksiarvoinen murtumissitkeys saadaan murtumismekanismin ja -vakavuuden perusteella. Murtumissitkeys on kriittinen mekaaninen ominaisuus teknisissä sovelluksissa. Materiaalien murtumiskestävyyden mittaamiseen käytetään useita eri testityyppejä, joissa yleensä käytetään lovettua näytettä jossakin eri kokoonpanossa. Laajasti käytetty standardoitu testimenetelmä on Charpy-iskukoe, jossa V- tai U- lovella varustettuun näytteeseen kohdistetaan isku loven takaa. Yleisesti käytetään myös särönsiirtymätestejä, kuten kolmen pisteen palkkitaivutuskokeita, joissa ohuet säröt on asetettu testikappaleisiin ennen kuormituksen kohdistamista.

Testausvaatimukset Muokkaa

Koekappaleen valinta Muokkaa

ASTM-standardi E1820 murtumissitkeyden mittaamista varten suosittelee kolmea koekappaletyyppiä murtumissitkeyden testausta varten: yksisärmäinen taivutuskuponki , kompakti vetokuponki ja kiekonmuotoinen kompakti vetokuponki.Kullekin koekappalekokoonpanolle on ominaista kolme ulottuvuutta, nimittäin särön pituus (a), paksuus (B) ja leveys (W). Näiden mittojen arvot määräytyvät näytteelle suoritettavan testin vaatimusten mukaan. Valtaosa testeistä tehdään joko kompaktilla tai SENB-kokoonpanolla. Samoilla ominaisuuksilla kompakti kokoonpano vie vähemmän materiaalia kuin SENB.

Materiaalin suuntaus Muokkaa

Murtumissuuntaus on tärkeä useimpien teknisten materiaalien luontaisen ei-isotrooppisen luonteen vuoksi. Tästä johtuen materiaalissa voi olla heikkotasoja, ja särön kasvu tätä tasoa pitkin voi olla helpompaa verrattuna muuhun suuntaan. Tämän vuoksi ASTM on kehittänyt standardoidun tavan ilmoittaa särön suunta suhteessa taonta-akseliin. Kirjaimia L, T ja S käytetään merkitsemään pituussuuntaista, poikittaista ja lyhyttä poikittaissuuntaa, jossa pituussuunta on sama kuin taonta-akseli. Suunta määritellään kahdella kirjaimella, joista ensimmäinen on päävetojännityksen suunta ja toinen särön etenemissuunta. Yleisesti ottaen materiaalin sitkeyden alaraja saadaan orientaatiossa, jossa särö kasvaa taonta-akselin suunnassa.

EsisäröMuutos

Tarkkojen tulosten saamiseksi tarvitaan terävä särö ennen testausta. Koneistetut lovet ja urat eivät täytä tätä kriteeriä. Tehokkain tapa riittävän terävän särön aikaansaamiseksi on soveltaa syklistä kuormitusta väsymissärön kasvattamiseksi urasta. Väsymissärö aloitetaan uran kärjestä ja sen annetaan kasvaa, kunnes särön pituus saavuttaa halutun arvon.

Syklistä kuormitusta ohjataan huolellisesti, jotta se ei vaikuta materiaalin sitkeyteen venymiskovettumisen kautta. Tämä tehdään valitsemalla sykliset kuormitukset, jotka tuottavat paljon pienemmän plastisen vyöhykkeen verrattuna päämurtuman plastiseen vyöhykkeeseen. Esimerkiksi ASTM E399:n mukaan suurin jännitysintensiteetti Kmax ei saisi olla suurempi kuin 0,6 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

alkuvaiheessa ja alle 0,8 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

kun särö lähestyy lopullista kokoa.

Tietyissä tapauksissa murtumissitkeysnäytteen sivuihin työstetään urat siten, että näytteen paksuus pienenee vähintään 80 %:iin alkuperäisestä paksuudesta särön aiotulla jatkumisreitillä. Syynä on suoran särörintaman säilyttäminen R-käyräkokeen aikana.

Neljä tärkeintä standardoitua testiä kuvataan seuraavassa siten, että KIc- ja KR-testit pätevät lineaaris-elastiseen murtumismekaniikkaan (LEFM), kun taas J- ja JR-testit pätevät elastis-plastiseen murtumismekaniikkaan (EPFM).

Tasomurtumissitkeyden määrittäminenMuutos

Kun materiaali käyttäytyy lineaarisesti kimmoisasti ennen murtumista, siten, että plastinen vyöhyke on pieni verrattuna näytteen mittaan, Mode-I-jännitysintensiteettikertoimen kriittinen arvo voi olla sopiva murtumaparametri. Tällä menetelmällä saadaan murtumissitkeyden kvantitatiivinen mittari kriittisen tasomuotoisen jännitysintensiteettikertoimen avulla. Testi on validoitava sen jälkeen, kun se on suoritettu, jotta voidaan varmistaa, että tulokset ovat merkityksellisiä. Näytekoko on kiinteä, ja sen on oltava riittävän suuri, jotta voidaan varmistaa tasomurtumaolosuhteet särön kärjessä.

Kappaleen paksuus vaikuttaa särön kärjessä vallitsevaan rajoitusasteeseen, mikä puolestaan vaikuttaa murtumissitkeysarvoonMurtumissitkeys pienenee näytekoon kasvaessa, kunnes saavutetaan tasanko. ASTM E 399:n näytekokovaatimusten tarkoituksena on varmistaa, että K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

-mittaukset vastaavat tasomurtumatasoa varmistamalla, että koekappale murtuu nimellisesti lineaarisesti kimmoisissa olosuhteissa. Toisin sanoen plastisen vyöhykkeen on oltava pieni verrattuna näytteen poikkileikkaukseen. E 399:n nykyisessä versiossa sallitaan neljä koekappalekokoonpanoa: kompakti, SE(B)-, kaaren muotoinen ja levyn muotoinen koekappale. K Ic -koekappaleet {\displaystyle K_{\text{Ic}})

-kokeet valmistetaan tavallisesti siten, että leveys W on kaksinkertainen paksuuteen B nähden. Koekappaleet väsytetään esisäröillä siten, että särön pituuden ja leveyden suhde (a /W) on välillä 0,45-0,55. Näin ollen koekappaleet suunnitellaan siten, että kaikki keskeiset mitat, a, B ja W-a, ovat suunnilleen samat. Tämä muotoilu johtaa tehokkaaseen materiaalin käyttöön, koska standardissa edellytetään, että jokaisen näistä mitoista on oltava suuri verrattuna plastiseen vyöhykkeeseen. Tasomurtumissitkeyskokeet

Murtumissitkeyskokeita tehtäessä yleisimmät koekappalekokoonpanot ovat yhden reunan loveen taivutetut koekappaleet (single edge notch bend, SENB tai kolmipistetaivutus) ja tiiviit jännityskoekappaleet (compact tension, CT). Testit ovat osoittaneet, että tasomuokkausolosuhteet vallitsevat yleensä silloin, kun:

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}}}

jossa B {\displaystyle B}

on tarvittava vähimmäispaksuus, K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

materiaalin murtumissitkeys ja σ YS {\displaystyle \sigma _{\text{YS}}}

on materiaalin myötölujuus.

Koe suoritetaan kuormittamalla tasaisesti sellaisella nopeudella, että KI kasvaa 0,55:stä 2,75:een (MPa m {\displaystyle {\sqrt {m}}}

)/s. Testin aikana kuorma ja halkeaman suun avautumissiirtymä (CMOD) kirjataan ja testiä jatketaan, kunnes maksimikuorma on saavutettu. Kriittinen kuorma <PQ lasketaan kuorman ja CMOD:n välisen kuvaajan avulla. Väliaikainen sitkeys KQ saadaan kaavalla K Q = P Q W B f ( a / W, … ) {\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}{{\sqrt {W}}B}}f(a/W,…)} }

.

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

on dimensioton funktio a/W:stä, ja se annetaan polynomimuodossa standardissa E 399. Kompaktin testigeometrian geometriakerroin löytyy täältä. Tämä väliaikainen sitkeysarvo tunnustetaan päteväksi, kun seuraavat vaatimukset täyttyvät: 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}}}

ja P m a x ≤ 1.1 P Q {\displaystyle P_{max}\leq 1.1P_{Q}}

Kun testataan materiaalia, jonka murtumissitkeys on tuntematon, testataan koko materiaalin poikkileikkauksen paksuuden omaava näyte tai näyte mitoitetaan murtumissitkeyttä koskevan ennusteen perusteella. Jos testin tuloksena saatu murtumissitkeysarvo ei täytä edellä esitetyn yhtälön vaatimusta, testi on toistettava paksummalla näytteellä. Tämän paksuuslaskennan lisäksi koespesifikaatioissa on useita muita vaatimuksia, joiden on täytyttävä (kuten leikkaushuulten koko), ennen kuin testin voidaan sanoa tuottaneen KIC-arvon.

Jos testi ei täytä paksuus- ja muita sileän venymän vaatimuksia, tuotetulle murtumissitkeysarvolle annetaan nimitys Kc. Joskus ei ole mahdollista valmistaa näytettä, joka täyttää paksuusvaatimuksen. Esimerkiksi kun testataan suhteellisen ohutta levyä, jolla on suuri sitkeys, ei välttämättä ole mahdollista valmistaa paksumpaa näytettä, jossa särön kärjessä vallitsevat tasomurto-olosuhteet.

R-käyrän määrittäminen, K-REdit

Kappaleessa, jossa on vakaa särönkasvu, murtumissitkeys kasvaa särön pituuden kasvaessa (duktiilinen särön laajentuminen). Tätä murtumissitkeyden ja särön pituuden välistä kuvaajaa kutsutaan kestävyyskäyräksi (R-käyrä). ASTM E561:ssä hahmotellaan menettely materiaalien sitkeyden ja särönkasvukäyrien määrittämiseksi. Tässä standardissa ei ole materiaalin vähimmäispaksuutta koskevia rajoituksia, joten sitä voidaan käyttää ohuille levyille, mutta LEFM-vaatimusten on täytyttävä, jotta testi olisi pätevä. LEFM-kriteereissä todetaan pääasiassa, että tason sisäisen ulottuvuuden on oltava suuri verrattuna plastiseen vyöhykkeeseen. Paksuuden vaikutuksesta R-käyrän muotoon vallitsee väärinkäsitys. On vihjattu, että saman materiaalin paksumpi osa murtuu tasomurtumalla ja osoittaa yksiarvoista murtumissitkeyttä, kun taas ohuempi osa murtuu tasojännitysmurtumalla ja osoittaa nousevaa R-käyrää. Tärkein tekijä, joka ohjaa R-käyrän kaltevuutta, on kuitenkin murtumismorfologia, ei paksuus. Joissakin materiaaleissa poikkileikkauksen paksuus muuttaa murtumismorfologiaa sitkeästä repeytymisestä halkeamiseen ohuesta paksuun poikkileikkaukseen, jolloin paksuus yksin määrää R-käyrän kaltevuuden. On tapauksia, joissa jopa tasomurtuma johtaa nousevaan R-käyrään, koska ”microvoid coalescence” on murtumismuoto.

Tarkin tapa arvioida K-R-käyrää on ottaa plastisuuden läsnäolo huomioon plastisen vyöhykkeen suhteellisesta koosta riippuen. Tapauksessa, jossa plastisuus on merkityksettömän pieni, testistä saadaan kuormitus vs. siirtymä -käyrä ja jokaiselle pisteelle löydetään compliance. Mukautuvuus on sen käyrän kaltevuuden käänteisluku, jota noudatetaan, jos koekappaletta ei kuormiteta tietyssä pisteessä, mikä voidaan antaa LEFM:n tapauksessa siirtymän ja kuorman suhteena. Mukautuvuutta käytetään hetkellisen halkeaman pituuden määrittämiseen ASTM-standardissa esitetyn suhteen avulla.

Jännitysintensiteettiä on korjattava laskemalla tehollinen särönpituus. ASTM-standardi ehdottaa kahta vaihtoehtoista lähestymistapaa. Ensimmäinen menetelmä on nimeltään Irwinin plastisen vyöhykkeen korjaus. Irwinin lähestymistapa kuvaa tehollista särönpituutta a eff {\displaystyle a_{\text{eff}}}

on 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}}}

Irwinin lähestymistapa johtaa iteratiiviseen ratkaisuun, koska K itsessään on särön pituuden funktio.

Toisessa menetelmässä, eli sekantti-menetelmässä, käytetään ASTM-standardissa annettua vaatimustenmukaisuuden ja särön pituuden yhtälöä tehokkaan särön pituuden laskemiseksi tehokkaasta vaatimustenmukaisuudesta. Kuormitus vs. siirtymä -käyrän missä tahansa pisteessä on olennaisesti sen käyrän kaltevuuden käänteisarvo, joka syntyy, jos koekappaletta ei kuormiteta kyseisessä pisteessä. Kuormittamattomuuskäyrä palaa alkupisteeseen lineaarisen kimmoisan materiaalin osalta, mutta ei kimmoisan plastisen materiaalin osalta, koska siinä on pysyvä muodonmuutos. Kimmoisan plastisen materiaalin tapauksessa pisteen tehollinen taipumus on pisteen ja alkupisteen yhdistävän viivan kaltevuus (eli taipumus, jos materiaali olisi kimmoisaa). Tätä tehollista joustavuutta käytetään tehokkaan särönkasvun saamiseksi, ja muu laskenta noudattaa yhtälöä

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

Plastisuuskorjauksen valintaan vaikuttaa plastisen vyöhykkeen koko. ASTM-standardi, joka kattaa kestävyyskäyrän, ehdottaa Irwinin menetelmän käyttämistä hyväksyttäväksi pienelle plastiselle vyöhykkeelle ja suosittelee Secant-menetelmän käyttämistä, kun särönkärjen plastisuus on selvempi. Koska ASTM E 561 -standardi ei myöskään sisällä vaatimuksia näytteen koosta tai suurimmasta sallitusta särön laajenemisesta, kestävyyskäyrän riippumattomuutta koosta ei voida taata. J-kovuusarvo tarkoittaa materiaalin kestävyyttä särön kasvuun tarvittavan jännitysenergian määrän suhteen. JIC-sitkeysarvo mitataan elastis-plastisille materiaaleille. Nyt yksiarvoinen JIC-arvo määritetään sitkeydeksi lähellä sitkeän särön laajenemisen alkamista (venymiskarkaisun vaikutus ei ole tärkeä). Testi suoritetaan kuormittamalla kutakin koekappaletta useilla eri tasoilla ja purkamalla kuormitus. Näin saadaan särön suuaukon avautumiskestävyys, jota käytetään särön pituuden saamiseksi ASTM-standardissa E 1820, joka kattaa J-integraalitestauksen, annettujen suhteiden avulla. Toinen tapa mitata särön kasvua on merkitä koekappaleeseen lämpövärjäys tai väsymissärö. Lopulta koekappale katkaistaan ja särön laajeneminen mitataan merkkien avulla.

Siten suoritetusta kokeesta saadaan useita kuormitus vs. särön suun avautumissiirtymä (CMOD) -käyriä, joita käytetään J:n laskemiseen seuraavasti:-

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

Lineaarisesti elastinen J lasketaan käyttämällä

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

ja K määräytyy kaavasta K I = P W B B N f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{I}={\frac {P}{\sqrt {WBB_{N}}}}f(a/W,. . . .)}

missä BN on nettopaksuus sivukoolatulle näytteelle ja yhtä suuri kuin B sivukoolaamattomalle näytteelle

Kimmoisa plastinen J lasketaan käyttäen

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

Jossa η {\displaystyle \eta }

=2 SENB-näytteelle

bo on alkusiteen pituus, joka saadaan leveyden ja alkusärön pituuden erotuksena

APl on plastinen pinta-ala kuormitus-siirtymäkäyrän alapuolella.

Erikoistunutta datan redusointitekniikkaa käytetään alustavan JQ:n saamiseksi. Arvo hyväksytään, jos seuraava kriteeri täyttyy

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

Repäisykestävyyden määrittäminen (Kahnin repäisykoe)Edit

Repäisykokeella (esim. Kahnin repäisykokeella) saadaan puolikvantitatiivinen mittari sitkeydelle repäisykestävyyden muodossa. Tämäntyyppinen testi vaatii pienemmän näytteen, ja siksi sitä voidaan käyttää useammille tuotemuodoille. Repeämiskoetta voidaan käyttää myös erittäin sitkeille alumiiniseoksille (esim. 1100, 3003), joihin lineaarinen kimmoinen murtumismekaniikka ei päde.

StandarditestausmenetelmätEdit

Useat organisaatiot julkaisevat murtumissitkeyden mittaamiseen liittyviä standardeja, nimittäin ASTM, BSI, ISO ja JSME.

• ASTM C1161 Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature
• ASTM E399 Test Method for Plane-strain Fracture Toughness of Metallic Materials
• ASTM E740 Practice for Fracture Testing with Surface-Crack Tension Specimens
• ASTM E1820 Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness
• ASTM E1823 Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing
• ISO 12135 Metallimateriaalit – Yhdenmukaistettu testausmenetelmä kvasistaattisen murtumissitkeyden määrittämiseksi
• ISO 28079:2009, Palmqvistin menetelmä, jota käytetään sementtikarbidien murtumissitkeyden määrittämiseen.