Wytrzymałość na pękanie

Testy wytrzymałości na pękanie są wykonywane w celu określenia ilościowego odporności materiału na zniszczenie przez pękanie. W wyniku tych badań otrzymuje się albo jednowartościową miarę odporności na pękanie, albo krzywą odporności. Krzywe odporności to wykresy, na których parametry odporności na pękanie (K, J itp.) są porównywane z parametrami charakteryzującymi propagację pęknięcia. Krzywa oporu lub jednowartościowa odporność na pękanie jest uzyskiwana w oparciu o mechanizm i stabilność pękania. Odporność na pękanie jest krytyczną właściwością mechaniczną w zastosowaniach inżynierskich. Istnieje kilka rodzajów badań umożliwiających wyznaczenie odporności na pękanie materiałów, które generalnie wykorzystują próbkę z karbem w jednej z różnych konfiguracji. Szeroko stosowaną znormalizowaną metodą badawczą jest próba udarności Charpy’ego, w której próbka z karbem w kształcie litery V lub U poddawana jest uderzeniu z tyłu karbu. Szeroko stosowane są również próby przemieszczania się pęknięć, takie jak próby zginania belki trzypunktowej z cienkimi pęknięciami wprowadzonymi do próbek przed przyłożeniem obciążenia.

Wymagania dotyczące prowadzenia badańEdit

Wybór próbkiEdit

Norma ASTM E1820 dotycząca pomiaru odporności na pękanie zaleca trzy rodzaje kuponów do badań odporności na pękanie, kupon do badań wytrzymałości na zginanie z pojedynczą krawędzią, kupon do badań wytrzymałości na rozciąganie w stanie zwartym oraz kupon do badań wytrzymałości na rozciąganie w kształcie dysku. Każda konfiguracja próbek charakteryzuje się trzema wymiarami, tj. długością pęknięcia (a), grubością (B) i szerokością (W). Wartości tych wymiarów wynikają z wymagań konkretnej próby, która jest wykonywana na próbce. Zdecydowana większość badań przeprowadzana jest w konfiguracji kompaktowej lub SENB. Dla tych samych wymiarów charakterystycznych, konfiguracja kompaktowa wymaga mniejszej ilości materiału w porównaniu do konfiguracji SENB.

Orientacja materiałuEdit

Orientacja złamania jest ważna ze względu na nieodłączną nieizotropową naturę większości materiałów inżynierskich. W związku z tym, w materiale mogą występować płaszczyzny słabości, a wzrost pęknięcia wzdłuż tej płaszczyzny może być łatwiejszy w porównaniu do innych kierunków. Z tego powodu ASTM opracował standardowy sposób raportowania orientacji pęknięcia w odniesieniu do osi kucia. Litery L, T i S oznaczają kierunek podłużny, poprzeczny i krótki poprzeczny, gdzie kierunek podłużny pokrywa się z osią kucia. Orientację określa się dwoma literami, z których pierwsza oznacza kierunek głównego naprężenia rozciągającego, a druga – kierunek propagacji pęknięcia. Ogólnie rzecz biorąc, dolną granicę wytrzymałości materiału uzyskuje się w orientacji, w której pęknięcie rośnie w kierunku osi kucia.

Wstępne pękanieEdit

W celu uzyskania dokładnych wyników, przed badaniem należy wykonać ostre pęknięcie. Obrabiane maszynowo karby i szczeliny nie spełniają tego kryterium. Najbardziej efektywnym sposobem wprowadzenia wystarczająco ostrego pęknięcia jest zastosowanie cyklicznego obciążenia w celu wytworzenia pęknięcia zmęczeniowego w szczelinie. Pęknięcia zmęczeniowe są inicjowane na końcu szczeliny i pozwala się im rozszerzać, aż długość pęknięcia osiągnie pożądaną wartość.

Obciążenie cykliczne jest starannie kontrolowane, aby nie wpływać na ciągliwość materiału poprzez utwardzanie odkształceniowe. Dokonuje się tego poprzez dobór obciążeń cyklicznych, które powodują powstanie znacznie mniejszej strefy plastycznej w porównaniu do strefy plastycznej pęknięcia głównego. Na przykład, zgodnie z normą ASTM E399, maksymalna intensywność naprężeń Kmax nie powinna być większa niż 0,6 K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}}

w fazie początkowej i mniejsza niż 0,8 K Ic {displaystyle K_{text{Ic}}}

gdy pęknięcie zbliża się do swojego ostatecznego rozmiaru.

W niektórych przypadkach, rowki są obrabiane na bokach próbki do badań odporności na pękanie w taki sposób, że grubość próbki jest zredukowana do minimum 80% pierwotnej grubości wzdłuż zamierzonej ścieżki rozszerzania się pęknięcia. Powodem tego jest utrzymanie prostego frontu pęknięcia podczas badania krzywej R.

Cztery główne znormalizowane próby są opisane poniżej z próbami KIc i KR ważnymi dla liniowo-sprężystej mechaniki pękania (LEFM), podczas gdy próby J i JR ważne dla sprężysto-plastycznej mechaniki pękania (EPFM)

Wyznaczanie odporności na pękanie przy płaskim odkształceniuEdit

Gdy materiał zachowuje się w sposób liniowo-sprężysty przed zniszczeniem, w taki sposób, że strefa plastyczna jest mała w porównaniu z wymiarami próbki, wartość krytyczna współczynnika intensywności naprężeń w trybie I może być odpowiednim parametrem pękania. Metoda ta zapewnia ilościową miarę odporności na pękanie w postaci krytycznego współczynnika intensywności naprężeń w płaszczyźnie odkształcenia. Po zakończeniu badań konieczne jest przeprowadzenie walidacji w celu zapewnienia wiarygodności wyników. Wielkość próbki jest stała i musi być wystarczająco duża, aby zapewnić warunki odkształcenia płaskiego na końcu pęknięcia.

Grubość próbki wpływa na stopień naprężenia na końcówce pęknięcia, co z kolei wpływa na wartość odporności na pękanieTwardość na pękanie zmniejsza się wraz ze wzrostem rozmiaru próbki, aż do osiągnięcia plateau. Wymagania dotyczące rozmiaru próbki zawarte w normie ASTM E 399 mają na celu zapewnienie, że K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}}

pomiary odpowiadają płaskiemu plateau odkształcenia poprzez zapewnienie, że próbka pęka w nominalnie liniowych warunkach sprężystości. Oznacza to, że strefa plastyczna musi być mała w porównaniu do przekroju poprzecznego próbki. Obecna wersja normy E 399 dopuszcza cztery konfiguracje próbek: zwartą, SE(B), w kształcie łuku oraz w kształcie dysku. Próbki dla K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}

próbki są zwykle produkowane z szerokością W równą dwukrotnej grubości B. Są one wstępnie spękane zmęczeniowo tak, że stosunek długości pęknięcia do szerokości (a /W) leży pomiędzy 0,45 i 0,55. Tak więc, konstrukcja próbki jest taka, że wszystkie kluczowe wymiary, a, B i W-a, są w przybliżeniu równe. Takie rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na efektywne wykorzystanie materiału, ponieważ norma wymaga, aby każdy z tych wymiarów był duży w porównaniu do strefy plastycznej. Badanie odporności na pękanie przy rozciąganiu w płaszczyźnie

Podczas wykonywania badań odporności na pękanie, najczęściej stosowanymi konfiguracjami próbek są: zginanie z pojedynczym karbem (SENB lub zginanie trzypunktowe) oraz zwarte próbki do rozciągania (CT). Badania wykazały, że warunki płaskiego odkształcenia przeważają, gdy:

B , a ≥ 2.5 ( K I C σ YS ) 2 {displaystyle B,a ≥ 2.5 ∗left({frac {K_{IC}}{{sigma _{text{YS}}}}}}right)^{2}}}

gdzie B {{displaystyle B}}

jest minimalną niezbędną grubością, K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}}

jest odpornością materiału na pękanie, a σ YS {{displaystyle \sigma _{text{YS}}}

jest granicą plastyczności materiału.

Badanie wykonuje się przez stałe obciążanie z taką szybkością, że KI wzrasta od 0,55 do 2,75 (MPa m {displaystyle {{sqrt {m}}}

)/s. Podczas badania rejestrowane jest obciążenie oraz przemieszczenie rozwarcia ujścia szczeliny (CMOD), a badanie kontynuowane jest do momentu osiągnięcia obciążenia maksymalnego. Obciążenie krytyczne <PQ jest obliczane na podstawie wykresu zależności obciążenia od CMOD. Tymczasowa wytrzymałość KQ jest określona jako K Q = P Q W B f ( a / W , . . . ) {{displaystyle K_{Q}={frac {P_{Q}}{{sqrt {W}}}B}}f(a/W,…)}

.

Współczynnik geometrii f ( a / W , . . . ) {{displaystyle f(a/W,…)}

jest bezwymiarową funkcją a/W i jest podany w postaci wielomianu w normie E 399. Współczynnik geometrii dla zwartej geometrii badania można znaleźć tutaj. Tymczasowa wartość wytrzymałości jest uznawana za ważną, gdy spełnione są następujące wymagania: m i n ( B , a ) > 2,5 ( K Q σ YS ) 2 { {frac {K_{Q}}{}sigma _{text{YS}}}}}}right)^{2}}

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

Gdy badany jest materiał o nieznanej odporności na pękanie, badana jest próbka o pełnej grubości przekroju materiału lub próbka jest zwymiarowana na podstawie prognozy odporności na pękanie. Jeżeli wartość odporności na pękanie uzyskana w wyniku badania nie spełnia wymagań powyższego równania, badanie należy powtórzyć stosując próbkę o większej grubości. Oprócz obliczeń grubości, specyfikacje badań zawierają kilka innych wymagań, które muszą być spełnione (takich jak wielkość warg ścinających), aby można było stwierdzić, że badanie zakończyło się uzyskaniem wartości KIC.

Jeśli badanie nie spełnia wymagań dotyczących grubości i innych parametrów odkształcenia prostego, uzyskana wartość odporności na pękanie otrzymuje oznaczenie Kc. Czasami nie jest możliwe wykonanie próbki spełniającej wymagania dotyczące grubości. Na przykład, gdy badana jest stosunkowo cienka płyta o wysokiej wytrzymałości, może nie być możliwe wykonanie grubszej próbki z warunkami odkształcenia płaskiego na końcówce pęknięcia.

Wyznaczanie krzywej R, K-REdit

Próbka wykazująca stabilny wzrost pęknięcia wykazuje tendencję wzrostową w zakresie odporności na pękanie w miarę wzrostu długości pęknięcia (plastyczne wydłużenie pęknięcia). Wykres zależności wytrzymałości na pękanie od długości pęknięcia nazywany jest krzywą odporności (R). Norma ASTM E561 określa procedurę wyznaczania krzywych odporności na pękanie w zależności od wzrostu pęknięcia w materiałach. Norma ta nie zawiera ograniczeń dotyczących minimalnej grubości materiału, dlatego może być stosowana do badań cienkich blach, jednakże, aby próba była ważna, muszą być spełnione wymagania dotyczące LEFM. Kryteria dla LEFM zasadniczo stwierdzają, że wymiar w płaszczyźnie musi być duży w porównaniu do strefy plastycznej. Istnieje błędne przekonanie dotyczące wpływu grubości na kształt krzywej R. Sugeruje się, że dla tego samego materiału grubszy przekrój ulega zniszczeniu w wyniku pęknięcia przy odkształceniu płaskim i wykazuje jednowartościową odporność na pękanie, natomiast cieńszy przekrój ulega zniszczeniu w wyniku pęknięcia przy naprężeniu płaskim i wykazuje rosnącą krzywą R. Jednakże, głównym czynnikiem kontrolującym nachylenie krzywej R jest morfologia pęknięcia, a nie jego grubość. W niektórych materiałach grubość przekroju zmienia morfologię pęknięcia z plastycznego rozerwania na rozszczepienie z cienkiego na gruby przekrój, w którym to przypadku sama grubość dyktuje nachylenie krzywej R. Istnieją przypadki, w których nawet pęknięcie przy płaskim odkształceniu powoduje wzrost krzywej R ze względu na „koalescencję mikropustek” jako sposób zniszczenia.

Najdokładniejszym sposobem oceny krzywej K-R jest uwzględnienie obecności plastyczności w zależności od względnej wielkości strefy plastycznej. W przypadku pomijalnie małej plastyczności, krzywa zależności obciążenia od przemieszczenia jest uzyskiwana z badania i w każdym punkcie znajduje się zgodność. Zgodność jest odwrotnością nachylenia krzywej, która będzie przebiegać, jeżeli próbka zostanie odciążona w danym punkcie, co może być podane jako stosunek przemieszczenia do obciążenia dla LEFM. Zgodność jest wykorzystywana do wyznaczenia chwilowej długości pęknięcia poprzez zależność podaną w normie ASTM.

Intensywność naprężeń powinna być skorygowana poprzez obliczenie efektywnej długości pęknięcia. Norma ASTM proponuje dwie alternatywne metody. Pierwsza metoda nosi nazwę korekcji strefy plastycznej Irwina. Podejście Irwina opisuje efektywną długość pęknięcia 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}}.

Podejście Irwina prowadzi do rozwiązania iteracyjnego, ponieważ samo K jest funkcją długości pęknięcia.

Inna metoda, mianowicie metoda sekantowa, wykorzystuje równanie zgodności-długości pęknięcia podane przez normę ASTM do obliczenia efektywnej długości pęknięcia z efektywnej zgodności. Zgodność w dowolnym punkcie krzywej zależności obciążenia od przemieszczenia jest w istocie odwrotnością nachylenia krzywej, która powstaje, gdy próbka jest odciążona w tym punkcie. Krzywa rozładowania powraca do początku dla materiału liniowo sprężystego, ale nie dla materiału sprężysto plastycznego, ponieważ występuje odkształcenie trwałe. Zgodność efektywna w punkcie dla przypadku sprężysto plastycznego jest przyjmowana jako nachylenie prostej łączącej punkt i początek (tj. zgodność, gdyby materiał był sprężysty). Ta efektywna zgodność jest używana do uzyskania efektywnego wzrostu pęknięcia, a reszta obliczeń jest zgodna z równaniem

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

Wybór poprawki na plastyczność jest uzależniony od wielkości strefy plastycznej. Norma ASTM dotycząca krzywej odporności sugeruje stosowanie metody Irwina w przypadku małej strefy plastycznej i zaleca stosowanie metody Secanta, gdy plastyczność końcówki pęknięcia jest bardziej widoczna. Norma ASTM E 561 nie zawiera wymagań dotyczących wielkości próbki oraz maksymalnego dopuszczalnego wydłużenia pęknięcia, dlatego też niezależność krzywej oporu od wielkości próbki nie jest gwarantowana. Nieliczne badania wykazują, że zależność od rozmiaru jest mniej wykrywalna w danych doświadczalnych dla metody Secanta.

Wyznaczenie wartości JICEdit

Szybkość uwalniania energii odkształcenia na jednostkę powierzchni pęknięcia jest obliczana metodą całki J, która jest całką konturową ścieżki wokół wierzchołka pęknięcia, gdzie ścieżka zaczyna się i kończy na obu powierzchniach pęknięcia. Wartość twardości J oznacza odporność materiału pod względem ilości energii naprężenia wymaganej do wzrostu pęknięcia. Wartość ciągliwości JIC jest mierzona dla materiałów sprężysto-plastycznych. Jednowartościowa wartość JIC jest określana jako wytrzymałość w pobliżu początku rozszerzania się pęknięcia ciągliwego (wpływ hartowania przy odkształcaniu nie jest istotny). Próbę przeprowadza się z zastosowaniem wielokrotnego obciążenia każdej z próbek do różnych wartości i rozładowania. Uzyskuje się w ten sposób zgodność rozwarcia ujścia pęknięcia, którą należy wykorzystać do wyznaczenia długości pęknięcia z zastosowaniem zależności podanych w normie ASTM E 1820, dotyczącej badań z zastosowaniem całki J. Innym sposobem pomiaru wzrostu pęknięć jest oznaczenie próbki z zabarwieniem termicznym lub pęknięciem zmęczeniowym. Próbka jest ostatecznie odłamywana, a wydłużenie pęknięcia jest mierzone za pomocą oznaczeń.

W ten sposób przeprowadzona próba daje kilka krzywych zależności obciążenia od przemieszczenia otworu wlotowego pęknięcia (CMOD), które są wykorzystywane do obliczenia J w następujący sposób:-

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

Sprężystość liniową J oblicza się za pomocą

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

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

gdzie BN jest grubością netto dla próbki z rowkiem bocznym i równą B dla próbki bez rowka bocznego

Sprężyste plastyczne J oblicza się według wzoru

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

Where η {{displaystyle _eta }

=2 dla próbki SENB

bo jest początkową długością więzadła podaną jako różnica pomiędzy szerokością i początkową długością pęknięcia

APl jest plastyczną powierzchnią pod krzywą obciążenie-przemieszczenie.

Specjalistyczna technika redukcji danych jest używana do uzyskania tymczasowego JQ. Wartość jest akceptowana, jeśli spełnione jest następujące kryterium

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

Wyznaczanie odporności na rozdzieranie (próba rozdzierania Kahna)Edycja

Test rozdzierania (np. próba rozdzierania Kahna) zapewnia półilościową miarę ciągliwości w zakresie odporności na rozdzieranie. Ten rodzaj próby wymaga użycia mniejszej próbki i dlatego może być stosowany w przypadku szerszego zakresu form produktów. Próba rozrywania może być również stosowana w przypadku bardzo plastycznych stopów aluminium (np. 1100, 3003), gdzie liniowa mechanika pękania sprężystego nie ma zastosowania.

Normy dotyczące metod badawczychEdit

Kilka organizacji publikuje normy dotyczące pomiarów odporności na pękanie, a mianowicie 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-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 the determination of quasistatic fracture toughness
• ISO 28079:2009, metoda Palmqvist, stosowana do określania odporności na pękanie dla węglików spiekanych.