Breuktaaiheid

Breektaaiheidstests worden uitgevoerd om de weerstand van een materiaal tegen breuk door scheuren te kwantificeren. Dergelijke proeven resulteren ofwel in een eenduidige waarde voor de breuktaaiheid ofwel in een weerstandskromme. Weerstandskrommen zijn grafieken waarin de breuktaaiheidsparameters (K, J, enz.) worden uitgezet tegen parameters die de scheurgroei karakteriseren. De weerstandskromme of de enkelvoudige breuktaaiheid wordt verkregen op basis van het breukmechanisme en de breukstabiliteit. Breuktaaiheid is een kritische mechanische eigenschap voor technische toepassingen. Er worden verschillende soorten proeven gebruikt om de breuktaaiheid van materialen te meten, waarbij in het algemeen gebruik wordt gemaakt van een ingekerfd proefstuk in één van de verschillende configuraties. Een veel gebruikte gestandaardiseerde testmethode is de Charpy-slagproef, waarbij een proefstuk met een V-inkeping of een U-inkeping wordt onderworpen aan een inslag van achter de inkeping. Ook veel gebruikt zijn scheurverplaatsingstests zoals driepuntsbalkbuigtests met dunne scheuren die in de testmonsters worden voorgeplaatst alvorens de belasting aan te brengen.

TestvereistenEdit

Keuze van proefstukEdit

De ASTM-norm E1820 voor het meten van breuktaaiheid beveelt drie soorten proefstukken aan voor het testen van breuktaaiheid, de buigbare proefstuk met enkele rand, het compacte trekproefstuk en het schijfvormige compacte trekproefstuk. Elk proefstuk wordt gekenmerkt door drie afmetingen, namelijk de scheurlengte (a), de dikte (B) en de breedte (W). De waarden van deze afmetingen worden bepaald door de eisen van de specifieke proef die op het proefstuk wordt uitgevoerd. De overgrote meerderheid van de proeven wordt uitgevoerd op een compacte of een SENB-configuratie. Voor dezelfde karakteristieke afmetingen is voor een compacte configuratie minder materiaal nodig dan voor een SENB-configuratie.

MateriaaloriëntatieEdit

Oriëntatie van de breuk is belangrijk vanwege de inherente niet-isotrope aard van de meeste constructiematerialen. Hierdoor kunnen er vlakken van zwakte in het materiaal zijn, en scheurgroei langs dit vlak kan gemakkelijker zijn in vergelijking met andere richtingen. Vanwege dit belang heeft ASTM een gestandaardiseerde manier ontwikkeld om de scheuroriëntatie ten opzichte van de smeedas te rapporteren. De letters L, T en S worden gebruikt om de longitudinale, transversale en korte transversale richtingen aan te geven, waarbij de longitudinale richting samenvalt met de smeedas. De oriëntatie wordt gedefinieerd met twee letters: de eerste is de richting van de hoofdtrekspanning en de tweede is de richting van de scheurgroei. In het algemeen wordt de ondergrens van de taaiheid van een materiaal verkregen in de oriëntatie waar de scheur groeit in de richting van de smeedas.

VoorscheurenEdit

Voor nauwkeurige resultaten is een scherpe scheur nodig vóór de beproeving. Bewerkte inkepingen en sleuven voldoen niet aan dit criterium. De meest effectieve manier om een voldoende scherpe scheur te introduceren is door het toepassen van cyclische belasting om een vermoeiingsscheur vanuit een sleuf te laten groeien. Vermoeiingsscheuren worden geïnitieerd aan de punt van de gleuf en mogen zich uitbreiden tot de scheurlengte de gewenste waarde bereikt.

De cyclische belasting wordt zorgvuldig gecontroleerd om de taaiheid van het materiaal niet aan te tasten door rek-verharding. Dit wordt gedaan door cyclische belastingen te kiezen die een veel kleinere plastische zone produceren dan de plastische zone van de hoofdbreuk. Bijvoorbeeld, volgens ASTM E399 mag de maximale spanningsintensiteit Kmax niet groter zijn dan 0,6 K Ic {Displaystyle K_{text{Ic}}

tijdens de beginfase en minder dan 0,8 K Ic {{text{Ic}}}

wanneer de scheur zijn uiteindelijke grootte nadert.

In bepaalde gevallen worden groeven gefreesd in de zijkanten van een breuktaaiheidsspecimen, zodat de dikte van het specimen wordt gereduceerd tot een minimum van 80% van de oorspronkelijke dikte langs de beoogde weg van scheurverlenging. De reden hiervoor is het handhaven van een recht scheurfront tijdens de R-curve test.

De vier belangrijkste gestandaardiseerde proeven worden hieronder beschreven, waarbij de KIc- en KR-proeven geldig zijn voor lineaire-elastische breukmechanica (LEFM), terwijl de J- en JR-proeven geldig zijn voor elastisch-plastische breukmechanica (EPFM)

Bepaling van de breuktaaiheid op basis van vlakke rekEdit

Wanneer een materiaal zich voorafgaand aan breuk lineair elastisch gedraagt, zodanig dat de plastische zone klein is in vergelijking met de afmetingen van het proefstuk, kan een kritische waarde van de spanningsintensiteitsfactor van modus-I een geschikte breukparameter zijn. Deze methode geeft een kwantitatieve maat voor de breuktaaiheid in termen van de kritische vlakke rek spanningsintensiteitsfactor. De proef moet na voltooiing gevalideerd worden om te verzekeren dat de resultaten zinvol zijn. De proefstukgrootte ligt vast, en moet groot genoeg zijn om vlakke vervormingscondities bij de scheurtip te verzekeren.

De proefstukdikte beïnvloedt de mate van beklemming bij de scheurtip, die op zijn beurt de breuktaaiheidswaarde beïnvloedtBreuktaaiheid neemt af met toenemende proefstukgrootte totdat een plateau wordt bereikt. De eisen voor de proefstukgrootte in ASTM E 399 zijn bedoeld om te garanderen dat K Ic {{\displaystyle K_{\text{Ic}}}

metingen overeenkomen met het vlakke vervormingsplateau door ervoor te zorgen dat het proefstuk breekt onder nominaal lineaire elastische condities. Dat wil zeggen, de plastische zone moet klein zijn in vergelijking met de doorsnede van het proefstuk. In de huidige versie van E 399 zijn vier proefstukconfiguraties toegestaan: de compacte, SE(B), boogvormige en schijfvormige proefstukken. Proefstukken voor K Ic {Displaystyle K_{\text{Ic}}

proeven worden gewoonlijk vervaardigd met een breedte W gelijk aan tweemaal de dikte B. Zij worden voorvermoeiing voorgekraakt, zodat de verhouding scheurlengte/breedte (a /W) tussen 0,45 en 0,55 ligt. Het proefstukontwerp is dus zodanig dat alle hoofdafmetingen, a, B, en W-a, ongeveer gelijk zijn. Dit ontwerp resulteert in het efficiënt gebruik van materiaal, aangezien de norm vereist dat elk van deze afmetingen groot moet zijn in vergelijking met de plastische zone. Vlak-rek-breuktaaiheidstesten

Bij het uitvoeren van een breuktaaiheidstest zijn de meest gebruikelijke proefstukconfiguraties de single edge notch bend (SENB of driepuntsbuiging), en de compact tension (CT) proefstukken. Testen hebben aangetoond dat vlakke spanning over het algemeen de overhand heeft wanneer:

B , a ≥ 2.5 ( K I C σ YS ) 2 {\displaystyle B,ageq 2.5-links({\frac {K_{IC}}{\sigma _{\text{YS}}}}rechts)^{2}}

waarbij B {Displaystyle B}

de minimaal noodzakelijke dikte is, K Ic {{{Displaystyle K_{text{Ic}}}

de breuktaaiheid van het materiaal en σ YS {\displaystyle \sigma _{text{YS}}}

is de vloeigrens van het materiaal.

De proef wordt uitgevoerd door gestaag te belasten met een zodanige snelheid dat KI toeneemt van 0,55 tot 2,75 (MPa m {\displaystyle {\sqrt {m}}

)/s. Tijdens de test worden de belasting en de openingsverplaatsing van de scheurmond (CMOD) geregistreerd en de test wordt voortgezet tot de maximale belasting is bereikt. De kritische belasting <PQ wordt berekend uit de belasting versus CMOD-grafiek. Een voorlopige taaiheid KQ wordt gegeven als K Q = P Q W B f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}{\sqrt {W}B}}f(a / W, …)}

.

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

is een dimensieloze functie van a/W en wordt in polynomiale vorm gegeven in de E 399 norm. De geometriefactor voor compacte proefgeometrie kan hier worden gevonden. Deze voorlopige taaiheidswaarde wordt als geldig erkend wanneer aan de volgende eisen wordt voldaan: m i n ( B , a ) > 2,5 ( K Q σ YS ) 2 {\displaystyle min(B,a)>2,5 links({\frac {K_{Q}}{\sigma _{YS}}}}}right)^{2}}

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

Wanneer een materiaal met onbekende breuktaaiheid wordt beproefd, wordt een proefstuk met de volledige dikte van de materiaaldoorsnede beproefd of wordt de grootte van het proefstuk bepaald op basis van een voorspelling van de breuktaaiheid. Indien de breuktaaiheidswaarde die het resultaat is van de proef niet voldoet aan de eis van de bovenstaande vergelijking, moet de proef worden herhaald met een dikker proefstuk. Naast deze dikteberekening, hebben de testspecificaties verscheidene andere vereisten waaraan voldaan moet worden (zoals de grootte van de afschuiflippen) voordat van een test gezegd kan worden dat deze een KIC-waarde heeft opgeleverd.

Wanneer een test niet voldoet aan de dikte- en andere vlakspanningsvereisten, krijgt de geproduceerde breuktaaiheidswaarde de aanduiding Kc. Soms is het niet mogelijk een proefstuk te vervaardigen dat aan de dikte-eis voldoet. Bijvoorbeeld, wanneer een relatief dunne plaat met hoge taaiheid wordt getest, kan het niet mogelijk zijn een dikker proefstuk te vervaardigen met vlakke-rekcondities bij de scheurtip.

Bepaling van de R-curve, K-REdit

Het proefstuk met stabiele scheurgroei vertoont een toenemende tendens in breuktaaiheid naarmate de scheurlengte toeneemt (ductiele scheurverlenging). Deze grafiek van breuktaaiheid versus scheurlengte wordt de weerstand (R)-curve genoemd. ASTM E561 beschrijft een procedure voor het bepalen van taaiheid versus scheurgroeikrommen in materialen. Deze norm stelt geen eisen aan de minimumdikte van het materiaal en kan dus worden gebruikt voor dunne platen, maar aan de eisen voor LEFM moet worden voldaan om de test geldig te maken. De criteria voor LEFM stellen in wezen dat de in-vlakke afmeting groot moet zijn in vergelijking met de plastische zone. Er bestaat een misvatting over het effect van de dikte op de vorm van de R-kromme. Er wordt gesuggereerd dat voor hetzelfde materiaal een dikkere doorsnede bezwijkt door vlakke rekbreuk en een enkelvoudige breuktaaiheid vertoont, terwijl de dunnere doorsnede bezwijkt door vlakke rekbreuk en een stijgende R-curve vertoont. De belangrijkste factor die de helling van de R-curve bepaalt is echter de breukmorfologie en niet de dikte. In sommige materialen verandert de dikte van de doorsnede de breukmorfologie van taaie scheurvorming naar splijting van dunne naar dikke doorsnede, in welk geval de dikte alleen de helling van de R-curve bepaalt. Er zijn gevallen waar zelfs vlakke vervormingsbreuk resulteert in een stijgende R-kromme doordat “microvoid coalescentie” de faalwijze is.

De meest nauwkeurige manier om de K-R kromme te evalueren is rekening te houden met de aanwezigheid van plasticiteit, afhankelijk van de relatieve grootte van de plastische zone. Voor het geval van verwaarloosbare plasticiteit, wordt de belasting versus verplaatsingskromme verkregen uit de test en op elk punt wordt de vervorming gevonden. De vervorming is de reciproke van de helling van de kromme die zal worden gevolgd indien het proefstuk op een bepaald punt wordt ontlast, en die kan worden gegeven als de verhouding tussen verplaatsing en belasting voor LEFM. De weerstand wordt gebruikt om de ogenblikkelijke scheurlengte te bepalen via de relatie die in de ASTM-norm wordt gegeven.

De spanningsintensiteit moet worden gecorrigeerd door een effectieve scheurlengte te berekenen. De ASTM-norm stelt twee alternatieve benaderingen voor. De eerste methode wordt Irwin’s plastische zone correctie genoemd. Irwin’s benadering beschrijft de effectieve scheurlengte a eff {displaystyle a_{\text{eff}}

als 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’s benadering leidt tot een iteratieve oplossing, omdat K zelf een functie is van de scheurlengte.

De andere methode, namelijk de secansmethode, gebruikt de vergelijking tussen conformiteit en scheurlengte die door de ASTM-norm wordt gegeven om de effectieve scheurlengte te berekenen uit een effectieve conformiteit. De conformiteit op een willekeurig punt in de belasting versus verplaatsingskromme is in wezen de reciproke van de helling van de kromme die ontstaat als het proefstuk op dat punt wordt ontlast. Nu keert de onbelastingskromme terug naar de oorsprong voor lineair elastisch materiaal, maar niet voor elastisch plastisch materiaal, omdat er een permanente vervorming is. De effectieve vervorming in een punt voor het elastisch plastische geval wordt genomen als de helling van de lijn die het punt met de oorsprong verbindt (d.w.z. de vervorming als het materiaal elastisch zou zijn). Deze effectieve vervorming wordt gebruikt om een effectieve scheurgroei te verkrijgen en de rest van de berekening volgt de vergelijking

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

De keuze van de plasticiteitscorrectie wordt bepaald door de grootte van de plasticiteitszone. De ASTM-norm die de weerstandskromme behandelt, suggereert dat de methode van Irwin aanvaardbaar is voor kleine plastische zones en beveelt het gebruik van de Secant-methode aan wanneer de plasticiteit van de scheurtip meer prominent is. Aangezien de ASTM E 561 norm geen vereisten bevat over de proefstukgrootte of de maximum toelaatbare scheurverlenging, is de grootte-onafhankelijkheid van de weerstandskromme niet gewaarborgd. Weinig studies tonen aan dat de grootte-afhankelijkheid minder wordt gedetecteerd in de experimentele gegevens voor de Secant-methode.

Bepaling van JICEdit

De snelheid van de vrijkomende vervormingsenergie per eenheid breukoppervlak wordt berekend met de J-integrale methode die een contourpadintegraal is rond de scheurtip waarbij het pad begint en eindigt op een van beide scheuroppervlakken. De J-taaiheidswaarde geeft de weerstand van het materiaal aan in termen van de hoeveelheid spanningsenergie die nodig is om een scheur te laten groeien. De JIC-taaiheidswaarde wordt gemeten voor elastisch-plastische materialen. Nu wordt de enkelvoudige JIC bepaald als de taaiheid nabij het begin van de taaie scheurverlenging (effect van rekverharding is niet van belang). De proef wordt uitgevoerd met meervoudige belasting van elk van de proefstukken tot verschillende niveaus en ontlading. Dit geeft de conformiteit van de scheurmondopening die moet worden gebruikt om de scheurlengte te verkrijgen met behulp van de relaties gegeven in ASTM-norm E 1820, die de J-integrale beproeving behandelt. Een andere manier om scheurgroei te meten is om het proefstuk te markeren met warmtetinting of vermoeiingsscheuren. Het proefstuk wordt uiteindelijk uit elkaar gebroken en de scheurverlenging wordt gemeten met behulp van de merktekens.

De aldus uitgevoerde proef levert verschillende belasting- versus scheurmondopeningsverplaatsing (CMOD) krommen op, die worden gebruikt om J als volgt te berekenen:-

J = J e l + J p l {Displaystyle J=J_{el}+J_{pl}}

De lineair elastische J wordt berekend met

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

en K wordt bepaald uit K I = P W B N f ( a / W , . . . ) {displaystyle K_{I}={\frac {P}{\sqrt {WBB_{N}}}}f(a/W,….)}

waarbij BN de nettodikte is voor proefstukken met zijdelingse groeven en gelijk aan B voor proefstukken zonder zijdelingse groeven

De elastische plastische J wordt berekend met

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

Waar η {\an8}

=2 voor SENB-proefstuk

bo de aanvankelijke ligamentlengte is, gegeven door het verschil tussen de breedte en de aanvankelijke scheurlengte

APl het plastische gebied onder de belasting-verplaatsingscurve is.

Een gespecialiseerde techniek voor gegevensreductie wordt gebruikt om een voorlopig JQ te verkrijgen. De waarde wordt geaccepteerd als aan het volgende criterium wordt voldaan

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

Bepaling van de scheurweerstand (Kahn scheurproef)Edit

De scheurproef (b.v. Kahn scheurproef) geeft een semi-kwantitatieve maat voor de taaiheid in termen van scheurweerstand. Dit type proef vereist een kleiner proefstuk, en kan daarom voor een breder scala van productvormen worden gebruikt. De scheurproef kan ook worden gebruikt voor zeer taaie aluminiumlegeringen (b.v. 1100, 3003), waar lineaire elastische breukmechanica niet van toepassing is.

Standaard testmethodenEdit

Een aantal organisaties publiceert normen met betrekking tot breuktaaiheidsmetingen, namelijk ASTM, BSI, ISO, 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-scheurtrekproefstukken
• ASTM E1820 Standaardbeproevingsmethode voor het meten van breuktaaiheid
• ASTM E1823 Terminologie met betrekking tot vermoeiings- en breukproeven
• ISO 12135 Metalen materialen – Eenvormige beproevingsmethode voor de bepaling van de quasistatische breuktaaiheid
• ISO 28079:2009, de Palmqvist-methode, gebruikt om de breuktaaiheid voor gecementeerde carbiden te bepalen.