Törési szívósság

A törési szívóssági vizsgálatokat az anyag repedéssel szembeni ellenállásának számszerűsítésére végzik. Az ilyen vizsgálatok vagy a törési szívósság egyértékes mértékét, vagy egy ellenállási görbét eredményeznek. Az ellenállási görbék olyan ábrák, ahol a törési szívóssági paramétereket (K, J stb.) a repedés terjedését jellemző paraméterekkel szemben ábrázolják. Az ellenállási görbét vagy az egyértékű törési szívósságot a törés mechanizmusa és stabilitása alapján kapjuk. A törési szívósság kritikus mechanikai tulajdonság a műszaki alkalmazásokban. Az anyagok törési szívósságának mérésére többféle vizsgálatot alkalmaznak, amelyek általában különböző konfigurációjú rovátkolt próbatestet használnak. A széles körben alkalmazott szabványosított vizsgálati módszer a Charpy-ütésvizsgálat, amelynek során egy V- vagy U-hornyos mintát a horony mögül ütésnek vetnek alá. Szintén széles körben alkalmazzák a repedéseltolódási vizsgálatokat, mint például a hárompontos gerendahajlítási vizsgálatokat, amelyek során a terhelés alkalmazása előtt vékony repedéseket állítanak elő a próbatestekbe.

Vizsgálati követelményekSzerkesztés

A próbatest kiválasztásaSzerkesztés

Az ASTM E1820 szabvány a törési szívósság mérésére három szelvénytípust ajánl a törési szívósság vizsgálatához, az egyszegélyű hajlítószelvényt , a kompakt húzószelvényt és a korong alakú kompakt húzószelvényt.Mindegyik próbatest-konfigurációt három méret jellemzi, nevezetesen a repedés hossza (a), a vastagság (B) és a szélesség (W). Ezeknek a méreteknek az értékeit a próbadarabon végzett adott vizsgálat követelményei határozzák meg. A vizsgálatok túlnyomó többségét kompakt vagy SENB konfiguráción végzik. Ugyanazokhoz a jellemző méretekhez a kompakt konfiguráció kisebb mennyiségű anyagot igényel, mint a SENB.

AnyagorientációSzerkesztés

A törés orientációja a legtöbb műszaki anyag eredendően nem izotróp jellege miatt fontos. Emiatt az anyagon belül lehetnek gyengeségi síkok, és a repedésnövekedés e sík mentén könnyebb lehet, mint más irányban. E fontosság miatt az ASTM szabványosított módszert dolgozott ki a repedés irányultságának a kovácsolási tengelyhez viszonyított jelentésére. Az L, T és S betűket a hosszanti, a keresztirányú és a rövid keresztirányú irányok jelölésére használják, ahol a hosszanti irány egybeesik a kovácsolási tengellyel. Az orientációt két betűvel határozzák meg, az első a fő húzófeszültség iránya, a második pedig a repedés terjedési iránya. Általánosságban elmondható, hogy az anyag szívósságának alsó határát abban az orientációban kapjuk, ahol a repedés a kovácsolási tengely irányában növekszik.

Előre repedésSzerkesztés

A pontos eredményekhez a vizsgálat előtt éles repedésre van szükség. A megmunkált bevágások és hornyok nem felelnek meg ennek a kritériumnak. A kellően éles repedés bevezetésének leghatékonyabb módja a ciklikus terhelés alkalmazása, hogy egy fáradási repedés nőjön a résből. A fáradási repedéseket a horony csúcsán indítják el, és hagyják, hogy addig terjedjenek, amíg a repedés hossza el nem éri a kívánt értéket.

A ciklikus terhelést gondosan szabályozzák, hogy az anyag szívósságát ne befolyásolja az alakváltozás-keményedés. Ezt úgy érik el, hogy olyan ciklikus terhelést választanak, amely a főtörés plasztikus zónájához képest jóval kisebb plasztikus zónát eredményez. Például az ASTM E399 szabvány szerint a Kmax maximális feszültségintenzitás nem lehet nagyobb, mint 0,6 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

a kezdeti szakaszban és kisebb, mint 0,8 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

, amikor a repedés a végső méretéhez közeledik.

Egy törésszilárdsági próbatest oldalaiba bizonyos esetekben hornyokat alakítanak ki úgy, hogy a próbatest vastagsága a repedéstágulás tervezett útvonala mentén az eredeti vastagság legalább 80%-ára csökkenjen. Ennek oka, hogy az R-görbe vizsgálat során egyenes repedésfrontot tartsanak fenn.

A négy fő szabványosított vizsgálatot az alábbiakban ismertetjük: a KIc és KR vizsgálatok a lineárisan rugalmas törésmechanikára (LEFM), míg a J és JR vizsgálatok a rugalmas-plasztikus törésmechanikára (EPFM) érvényesek.

A síkidomos törési szívósság meghatározásaSzerkesztés

Ha egy anyag a tönkremenetel előtt lineárisan rugalmasan viselkedik, úgy, hogy a képlékeny zóna kicsi a minta méretéhez képest, a Mode-I feszültségintenzitási tényező kritikus értéke megfelelő törési paraméter lehet. Ez a módszer a törési szívósság kvantitatív mértékét adja meg a kritikus síkbeli feszültségintenzitási tényezővel. A vizsgálatot a vizsgálat befejezése után validálni kell, hogy az eredmények értelmezhetőek legyenek. A próbadarab mérete rögzített, és elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a repedéscsúcson síkbeli alakváltozási viszonyokat biztosítson.

A próbadarab vastagsága befolyásolja a repedéscsúcsnál fellépő kényszer mértékét, ami viszont befolyásolja a törési szívósság értékétA törési szívósság csökken a próbadarab méretének növekedésével, amíg el nem ér egy platót. Az ASTM E 399 szabványban szereplő próbatest méretre vonatkozó követelmények célja annak biztosítása, hogy K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

mérések megfeleljenek a síkbeli alakváltozási platónak, biztosítva, hogy a próbatest névlegesen lineárisan rugalmas körülmények között törjön. Azaz a képlékeny zónának a próbatest keresztmetszetéhez képest kicsinek kell lennie. Az E 399 jelenlegi változata négy próbatest-konfigurációt engedélyez: a kompakt, az SE(B), az ív alakú és a korong alakú próbatesteket. K Ic próbatestek {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

vizsgálatokat általában úgy gyártják, hogy a W szélesség a B vastagság kétszeresének felel meg. A próbatesteket fáradásos előrepedéssel úgy készítik, hogy a repedéshossz/szélesség arány (a /W) 0,45 és 0,55 között legyen. A próbatestek kialakítása tehát úgy történik, hogy az összes kulcsméret, a, B és W-a, megközelítőleg egyenlő legyen. Ez a kialakítás az anyag hatékony felhasználását eredményezi, mivel a szabvány előírja, hogy e méretek mindegyikének nagynak kell lennie a képlékeny zónához képest. Síkidomos törésszilárdsági vizsgálat

A törésszilárdsági vizsgálat elvégzésekor a leggyakoribb próbatest-konfigurációk a SENB (Single Edge Notch Bend vagy hárompontos hajlítás) és a CT (Compact Tension) próbatestek. A vizsgálatok azt mutatták, hogy a síkidomlási körülmények általában akkor uralkodnak, ha:

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}}}

ahol B {\displaystyle B}

a minimálisan szükséges vastagság, K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

az anyag törési szívóssága és σ YS {\displaystyle \sigma _{\text{YS}}}

az anyag folyáshatára.

A vizsgálatot egyenletes terheléssel végzik, olyan sebességgel, hogy a KI 0,55-ről 2,75 (MPa m {\displaystyle {\sqrt {m}}}

)/s-ra nő. A vizsgálat során a terhelést és a repedésnyílási elmozdulást (CMOD) rögzítik, és a vizsgálatot a maximális terhelés eléréséig folytatják. A kritikus terhelést <PQ a terhelés vs. CMOD diagramból számítják ki. Az ideiglenes szívósság KQ a következő: K Q = P Q W B f ( a / W , … ) {\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}{{\sqrt {W}}B}}f(a/W,…)}

.

A geometriai tényező f ( a / W , … ) {\displaystyle f(a/W,…)}

az a/W dimenziótlan függvénye, és az E 399 szabványban polinomiális formában van megadva. A kompakt vizsgálati geometriára vonatkozó geometriai tényező itt található. Ezt az ideiglenes szívóssági értéket akkor ismerik el érvényesnek, ha a következő követelmények teljesülnek: 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}}}

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

Az ismeretlen törési szívósságú anyag vizsgálatakor a teljes anyagszelvény vastagságú próbatestet vizsgálják, vagy a próbatestet a törési szívósság előrejelzése alapján méretezik. Ha a vizsgálatból kapott törési szívóssági érték nem felel meg a fenti egyenlet követelményének, a vizsgálatot meg kell ismételni egy vastagabb próbatesttel. Ezen a vastagságszámításon kívül a vizsgálati előírások számos más követelményt is tartalmaznak, amelyeket teljesíteni kell (például a nyírási ajkak méretét) ahhoz, hogy egy vizsgálatról azt lehessen mondani, hogy KIC-értéket eredményezett.

Ha egy vizsgálat nem felel meg a vastagság és az egyéb síkidomok követelményeinek, az előállított törési szívóssági érték a Kc jelölést kapja. Néha nem lehetséges olyan próbatestet előállítani, amely megfelel a vastagsági követelménynek. Például, ha egy viszonylag vékony, nagy szívósságú lemezt vizsgálnak, előfordulhat, hogy nem lehet vastagabb próbatestet előállítani a repedés csúcsán síkidomos körülmények között.

R-görbe meghatározása, K-REdit

A stabil repedésnövekedést mutató próbatest a repedés hosszának növekedésével növekvő tendenciát mutat a törési szívósságban (duktilis repedésterjedés). A törési szívósságnak a repedéshossz függvényében történő ábrázolását ellenállási (R)-görbének nevezzük. Az ASTM E561 ismerteti az anyagok szívósság és repedésnövekedési görbéjének meghatározására szolgáló eljárást. Ez a szabvány nem korlátozza az anyag minimális vastagságát, ezért vékony lemezek esetében is alkalmazható, azonban a vizsgálat érvényességéhez teljesíteni kell a LEFM követelményeit. A LEFM kritériuma lényegében azt mondja ki, hogy a síkbeli méretnek nagynak kell lennie a képlékeny zónához képest. A vastagságnak az R-görbe alakjára gyakorolt hatásával kapcsolatban tévhit kering. Arra utalnak, hogy ugyanannak az anyagnak a vastagabb szakasza síkbeli feszültségtöréssel tönkremegy és egyértékű törési szívósságot mutat, a vékonyabb szakasz síkbeli feszültségtöréssel tönkremegy és emelkedő R-görbét mutat. Az R-görbe meredekségét azonban elsősorban nem a vastagság, hanem a törésmorfológia határozza meg. Bizonyos anyagszelvényeknél a vastagság megváltoztatja a törésmorfológiát a képlékeny szakadásról a hasadásra a vékony és a vastag szelvény között, ebben az esetben a vastagság önmagában határozza meg az R-görbe meredekségét. Vannak olyan esetek, amikor még síkidomos törés is emelkedő R-görbét eredményez, mivel a “mikrovoid-összeolvadás” a tönkremenetel módja.

A K-R görbe kiértékelésének legpontosabb módja a képlékenység jelenlétének figyelembevétele a képlékeny zóna relatív méretétől függően. Elhanyagolható plaszticitás esetén a terhelés-eltolódás görbét kapjuk a vizsgálatból, és minden egyes ponton megtaláljuk a megfelelőséget. A megfelelőség a görbe meredekségének reciproka, amelyet akkor követünk, ha a próbatestet egy bizonyos ponton tehermentesítjük, ami LEFM esetén az elmozdulás és a terhelés arányaként adható meg. A megfelelőség az ASTM szabványban megadott összefüggésen keresztül a pillanatnyi repedéshossz meghatározására szolgál.

A feszültségintenzitást az effektív repedéshossz kiszámításával kell korrigálni. Az ASTM szabvány két alternatív megközelítést javasol. Az első módszert Irwin plasztikus zóna korrekciójának nevezik. Az Irwin-féle megközelítés az effektív repedéshossz a eff {\displaystyle a_{\text{eff}}

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}}}

Irwin megközelítése iteratív megoldáshoz vezet, mivel K maga a repedéshossz függvénye.

A másik módszer, nevezetesen a szekáns módszer az ASTM szabványban megadott megfelelőség- repedéshossz egyenletet használja a hatékony repedéshossz kiszámításához a hatékony megfelelőségből. A terhelés-eltolódás görbe bármely pontján a megfelelőség lényegében a görbe meredekségének reciproka, amely akkor következik be, ha a próbatestet az adott ponton tehermentesítjük. Most a tehermentesítő görbe visszatér az origóhoz lineárisan rugalmas anyag esetén, de rugalmas képlékeny anyag esetén nem, mivel ott állandó deformáció van. A rugalmas plasztikus esetben az egy ponton mért effektív engedékenységet a pontot és az origót összekötő egyenes meredekségének tekintjük (azaz a engedékenységet, ha az anyag rugalmas lenne). Ezt az effektív engedékenységet használjuk az effektív repedésnövekedés kiszámításához, és a számítás többi része az egyenletet követi

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

A képlékenységkorrekció megválasztása a képlékeny zóna méretétől függ. Az ASTM szabvány, amely az ellenállási görbét fedi, az Irwin-módszer használatát javasolja kis plasztikus zóna esetén, és a Secant-módszer használatát ajánlja, ha a repedéscsúcs-plaszticitás jelentősebb. Mivel az ASTM E 561 szabvány nem tartalmaz követelményeket a próbatest méretére vagy a maximálisan megengedett repedéstágulásra vonatkozóan, ezért az ellenállási görbe méretfüggetlensége nem garantált. Néhány tanulmány azt mutatja, hogy a méretfüggés kevésbé kimutatható a kísérleti adatokban a Secant-módszer esetében.

JICEdit

A J-integrál módszerrel számítják ki az egységnyi törési felületre jutó nyúlási energia felszabadulási sebességét, amely egy kontúrút integrál a repedéscsúcs körül, ahol az útvonal mindkét repedésfelületen kezdődik és végződik. A J-szívósság értéke az anyag ellenállását jelzi a repedés növekedéséhez szükséges feszültségenergiamennyiség tekintetében. A JIC szívóssági értéket rugalmas-plasztikus anyagok esetében mérik. Most az egyértékű JIC értéket a képlékeny repedés kiterjedésének kezdetéhez közeli szívósságként határozzuk meg (a nyúláskeményedés hatása nem fontos). A vizsgálatot több próbadarab többszöri terhelésével és tehermentesítésével végezzük, minden egyes próbadarabot különböző szintekre terhelve. Ez adja meg a repedésnyílás megfelelőségét, amelyet a repedés hosszának meghatározásához kell felhasználni a J-integrál vizsgálatra vonatkozó ASTM E 1820 szabványban megadott összefüggések segítségével. A repedésnövekedés mérésének másik módja a próbatest hőszínezéssel vagy fáradási repedésekkel történő jelölése. A próbatestet végül széttörik, és a jelölések segítségével mérik a repedés kiterjedését.

Az így elvégzett vizsgálatból több terhelés vs. repedésnyílási elmozdulás (CMOD) görbét kapunk, amelyeket a J kiszámításához a következők szerint használunk:-

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

A lineárisan rugalmas J számítása a következő módon történik:

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

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

ahol BN a nettó vastagság oldalsó hornyolt minta esetén és egyenlő B-vel nem oldalsó hornyolt minta esetén

A rugalmas képlékeny J számítása a következő módon történik

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

Hol η {\displaystyle \eta }

=2 a SENB minta esetében

bo a kezdeti szalaghossz, amelyet a szélesség és a kezdeti repedéshossz különbsége ad

APl a terhelés-elmozdulás görbe alatti képlékeny terület.

Speciális adatredukciós technikát használunk az ideiglenes JQ kiszámításához. Az értéket akkor fogadják el, ha a következő kritérium teljesül

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

A szakítószilárdság meghatározása (Kahn szakítópróba)Edit

A szakítópróba (pl. Kahn szakítópróba) a szívósság félkvantitatív mérését biztosítja a szakítószilárdság szempontjából. Ez a fajta vizsgálat kisebb mintát igényel, ezért a termékformák szélesebb körére alkalmazható. A szakítóvizsgálat nagyon képlékeny alumíniumötvözetek (pl. 1100, 3003) esetében is alkalmazható, ahol a lineárisan rugalmas törésmechanika nem érvényesül.

Szabványos vizsgálati módszerekSzerkesztés

A törési szívósság mérésével kapcsolatban számos szervezet ad ki szabványokat, nevezetesen az ASTM, BSI, ISO, JSME.

• ASTM C1161 Korszerű kerámiák hajlítószilárdságának vizsgálati módszere környezeti hőmérsékleten
• ASTM E399 Fémes anyagok síkbeli törésszilárdságának vizsgálati módszere
• ASTM E740 Gyakorlat a törésvizsgálathoz felületi…Crack Tension Specimens
• ASTM E1820 Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness
• ASTM E1823 Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing
• ISO 12135 Metallic materials – Unified method of test for determination of quasistatic fracture toughness
• ISO 28079:2009, a Palmqvist-módszer, amelyet cementált karbidok törési szívósságának meghatározására használnak.