Rezistența la rupere

Testele de rezistență la rupere sunt efectuate pentru a cuantifica rezistența unui material la cedarea prin fisurare. Astfel de teste au ca rezultat fie o măsură cu valoare unică a rezistenței la rupere, fie o curbă de rezistență. Curbele de rezistență sunt diagrame în care parametrii rezistenței la rupere (K, J etc.) sunt reprezentați grafic față de parametrii care caracterizează propagarea fisurii. Curba de rezistență sau tenacitatea la fractură cu valoare unică se obține pe baza mecanismului și a stabilității fracturii. Rezistența la fractură este o proprietate mecanică critică pentru aplicațiile inginerești. Există mai multe tipuri de teste utilizate pentru măsurarea rezistenței la rupere a materialelor, care utilizează, în general, o epruvetă crestată în una dintre diferitele configurații. O metodă de testare standardizată utilizată pe scară largă este testul de impact Charpy, prin care o probă cu o crestătură în V sau în U este supusă unui impact din spatele crestăturii. De asemenea, sunt utilizate pe scară largă testele de deplasare a fisurilor, cum ar fi testele de încovoiere a grinzilor în trei puncte, cu fisuri subțiri prestabilite în epruvetele de testare înainte de aplicarea sarcinii.

Cerințe de testareEdit

Alegerea epruveteiEdit

Standardul ASTM E1820 pentru măsurarea rezistenței la fractură recomandă trei tipuri de cupoane pentru testarea rezistenței la fractură, cuponul de încovoiere cu o singură margine , cuponul de întindere compact și cuponul de întindere compact în formă de disc .Fiecare configurație de epruvete este caracterizată de trei dimensiuni, și anume lungimea fisurii (a), grosimea (B) și lățimea (W). Valorile acestor dimensiuni sunt determinate de cerința unui anumit test care se efectuează pe epruvetă. Marea majoritate a încercărilor se efectuează fie pe configurația compactă, fie pe configurația SENB. Pentru aceleași dimensiuni caracteristice, configurația compactă necesită o cantitate mai mică de material în comparație cu SENB.

Orientarea materialuluiEdit

Orientarea fracturii este importantă din cauza naturii neizotrope inerente a majorității materialelor tehnice. Din această cauză, pot exista planuri de slăbiciune în cadrul materialului, iar creșterea fisurii de-a lungul acestui plan poate fi mai ușoară în comparație cu altă direcție. Datorită acestei importanțe, ASTM a conceput o modalitate standardizată de raportare a orientării fisurii în raport cu axa de forjare. Literele L, T și S sunt folosite pentru a desemna direcțiile longitudinală, transversală și transversală scurtă, unde direcția longitudinală coincide cu axa de forjare. Orientarea este definită cu două litere, prima fiind direcția efortului principal de tracțiune, iar cea de-a doua este direcția de propagare a fisurii. În general, limita inferioară a tenacității unui material se obține în orientarea în care fisura se dezvoltă în direcția axei de forjare.

Pre-fisurareEdit

Pentru rezultate precise, este necesară o fisură ascuțită înainte de testare. Crestăturile și fantele prelucrate nu îndeplinesc acest criteriu. Cel mai eficient mod de a introduce o fisură suficient de ascuțită este prin aplicarea unei încărcări ciclice pentru a dezvolta o fisură de oboseală dintr-o fantă. Fisurile de oboseală sunt inițiate la vârful fantei și se lasă să se extindă până când lungimea fisurii atinge valoarea dorită.

Încărcarea ciclică este controlată cu atenție pentru a nu afecta tenacitatea materialului prin întărire prin deformare. Acest lucru se face prin alegerea unor sarcini ciclice care produc o zonă plastică mult mai mică în comparație cu zona plastică a fracturii principale. De exemplu, în conformitate cu ASTM E399, intensitatea maximă a tensiunii Kmax nu trebuie să fie mai mare de 0,6 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}.

în timpul etapei inițiale și mai mică de 0,8 K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}.

atunci când fisura se apropie de dimensiunea sa finală.

În anumite cazuri se prelucrează caneluri în părțile laterale ale unei epruvete de rezistență la fractură, astfel încât grosimea epruvetei să fie redusă la un minim de 80% din grosimea inițială de-a lungul traiectoriei prevăzute de extindere a fisurii. Motivul este acela de a menține un front de fisură drept în timpul încercării curbei R.

Cele patru teste standardizate principale sunt descrise mai jos, testele KIc și KR fiind valabile pentru mecanica fracturii liniar-elastice (LEFM), în timp ce testele J și JR sunt valabile pentru mecanica fracturii elastic-plastice (EPFM)

Determinarea rezistenței la rupere prin deformare planăEdit

Când un material se comportă într-un mod elastic liniar înainte de cedare, astfel încât zona plastică este mică în comparație cu dimensiunea epruvetei, o valoare critică a factorului de intensitate a tensiunii de mod I poate fi un parametru de rupere adecvat. Această metodă oferă o măsură cantitativă a rezistenței la rupere în termeni de factor critic de intensitate a tensiunii de deformare plană. Testul trebuie să fie validat odată finalizat pentru a se asigura că rezultatele sunt semnificative. Dimensiunea epruvetei este fixă și trebuie să fie suficient de mare pentru a asigura condiții de deformare plană la vârful fisurii.

Grosimea epruvetei afectează gradul de constrângere la vârful fisurii care, la rândul său, afectează valoarea rezistenței la rupereTensiunea la rupere scade odată cu creșterea dimensiunii epruvetei până când se atinge un platou. Cerințele privind dimensiunea epruvetelor din ASTM E 399 sunt menite să asigure că K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

măsurătorile corespund platoului de deformare plană, asigurându-se că epruveta se fracturează în condiții de elasticitate nominal liniară. Altfel spus, zona plastică trebuie să fie mică în comparație cu secțiunea transversală a epruvetei. Patru configurații de epruvete sunt permise de versiunea actuală a E 399: epruvete compacte, SE(B), în formă de arc și în formă de disc. Eșantioane pentru K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}}

sunt de obicei fabricate cu lățimea W egală cu de două ori grosimea B. Ele sunt pre-fisurate la oboseală astfel încât raportul lungime/lățime a fisurii (a /W) să se situeze între 0,45 și 0,55. Prin urmare, modelul epruvetei este astfel conceput încât toate dimensiunile cheie, a, B și W-a, să fie aproximativ egale. Această proiectare duce la utilizarea eficientă a materialului, deoarece standardul prevede că fiecare dintre aceste dimensiuni trebuie să fie mare în comparație cu zona plastică. Testarea rezistenței la rupere în regim de deformare plană

Când se efectuează un test de rezistență la rupere, cele mai comune configurații ale epruvetelor de testare sunt probele de încovoiere cu crestătură pe o singură margine (SENB sau încovoiere în trei puncte) și probele de întindere compactă (CT). Testele au arătat că, în general, condițiile de deformație plană prevalează atunci când:

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}}

unde B {\displaystyle B}

este grosimea minimă necesară, K Ic {\displaystyle K_{\text{Ic}}

rezistența la rupere a materialului și σ YS {\displaystyle \sigma _{\text{YS}}}

este limita de curgere a materialului.

Încercarea se efectuează prin încărcare constantă la o rată astfel încât KI să crească de la 0,55 la 2,75 (MPa m {\displaystyle {\sqrt {m}}}

)/s. În timpul testului, se înregistrează sarcina și deplasarea de deschidere a gurii fisurii (CMOD) și se continuă testul până când se atinge sarcina maximă. Sarcina critică <PQ este calculată pe baza graficului sarcină vs CMOD. O tenacitate provizorie KQ este dată de K Q = P Q W B f ( a / W , . . . . ) {\displaystyle K_{Q}={\frac {P_{Q}}}{{{sqrt {W}}}B}}f(a/W,…)}}.

.

Factorul de geometrie f ( a / W , . . . . ) {\displaystyle f(a/W,…)}

este o funcție adimensională a lui a/W și este dat sub formă polinomială în standardul E 399. Factorul de geometrie pentru geometria de încercare compactă poate fi găsit aici. Această valoare provizorie a tenacității este recunoscută ca fiind valabilă atunci când sunt îndeplinite următoarele cerințe: 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}}

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

Când se testează un material a cărui rezistență la rupere este necunoscută, se testează o epruvetă cu grosimea totală a secțiunii materialului sau epruveta este dimensionată pe baza unei predicții a rezistenței la rupere. În cazul în care valoarea rezistenței la rupere rezultată în urma încercării nu satisface cerința din ecuația de mai sus, încercarea trebuie repetată folosind o epruvetă mai groasă. În plus față de acest calcul al grosimii, specificațiile de încercare au alte câteva cerințe care trebuie îndeplinite (cum ar fi dimensiunea buzelor de forfecare) înainte de a se putea spune că o încercare a avut ca rezultat o valoare KIC.

Când o încercare nu reușește să îndeplinească cerințele privind grosimea și alte cerințe privind deformația simplă, valoarea rezistenței la rupere produsă primește denumirea Kc. Uneori, nu este posibil să se producă o epruvetă care să îndeplinească cerința de grosime. De exemplu, atunci când se încearcă o placă relativ subțire cu tenacitate ridicată, s-ar putea să nu fie posibil să se producă o epruvetă mai groasă cu condiții de deformație plană la vârful fisurii.

Determinarea curbei R, K-REdit

Epruveta care prezintă o creștere stabilă a fisurii prezintă o tendință de creștere a tenacității la rupere pe măsură ce lungimea fisurii crește (extindere ductilă a fisurii). Această diagramă a tenacității la rupere în funcție de lungimea fisurii se numește curbă de rezistență (R). ASTM E561 prezintă o procedură pentru determinarea curbelor de rezistență în funcție de creșterea fisurii la materiale. Acest standard nu are o constrângere cu privire la grosimea minimă a materialului și, prin urmare, poate fi utilizat pentru plăcile subțiri, însă cerințele pentru LEFM trebuie să fie îndeplinite pentru ca testul să fie valabil. Criteriile pentru LEFM prevăd, în esență, că dimensiunea în plan trebuie să fie mare în comparație cu zona plastică. Există o concepție greșită cu privire la efectul grosimii asupra formei curbei R. Se sugerează că, pentru același material, secțiunea mai groasă cedează prin rupere prin deformare plană și prezintă o rezistență la rupere cu o singură valoare, iar secțiunea mai subțire cedează prin rupere sub tensiune plană și prezintă o curbă R crescătoare. Cu toate acestea, principalul factor care controlează panta curbei R este morfologia fracturii și nu grosimea. În unele materiale, grosimea secțiunii schimbă morfologia fracturii de la rupere ductilă la clivaj de la secțiunea subțire la cea groasă, caz în care numai grosimea dictează panta curbei R. Există cazuri în care chiar și ruperea prin deformare plană rezultă în creștere a curbei R din cauza „coalescenței microvoidale” care este modul de cedare.

Cel mai precis mod de evaluare a curbei K-R este luarea în considerare a prezenței plasticității în funcție de dimensiunea relativă a zonei plastice. Pentru cazul în care plasticitatea este neglijabilă, se obține curba sarcină vs. deplasare în urma încercării și pe fiecare punct se găsește complianța. Conformitatea este reciproca pantei curbei care va fi urmată în cazul în care epruveta este descărcată într-un anumit punct, care poate fi dată de raportul dintre deplasare și sarcină pentru LEFM. Conformitatea este utilizată pentru a determina lungimea instantanee a fisurii prin relația dată în standardul ASTM.

Intensitatea tensiunii trebuie corectată prin calcularea unei lungimi efective a fisurii. Standardul ASTM sugerează două abordări alternative. Prima metodă se numește corecția zonei plastice a lui Irwin. Abordarea lui Irwin descrie lungimea efectivă a fisurii a eff {\displaystyle a_{\text{eff}}}.

să fie 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}}}

Abordarea lui Irwin conduce la o soluție iterativă deoarece K însuși este o funcție a lungimii fisurii.

Celealaltă metodă, și anume metoda secantei, utilizează ecuația complianță-lungime fisură dată de standardul ASTM pentru a calcula lungimea efectivă a fisurii pornind de la o complianță efectivă. Conformitatea în orice punct al curbei Sarcină vs. deplasare este, în esență, reciproca pantei curbei care rezultă dacă epruveta este descărcată în acel punct. Acum, curba de descărcare revine la origine pentru un material elastic liniar, dar nu și pentru un material plastic elastic, deoarece există o deformare permanentă. Deformația efectivă într-un punct pentru cazul plasticului elastic se consideră ca fiind panta dreptei care unește punctul și originea (adică deformația dacă materialul ar fi elastic). Această complianță efectivă este utilizată pentru a obține o creștere efectivă a fisurii, iar restul calculului urmează ecuația

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

Alegerea corecției de plasticitate este influențată de mărimea zonei plastice. Standardul ASTM care acoperă curba de rezistență sugerează că utilizarea metodei lui Irwin este acceptabilă pentru o zonă plastică mică și recomandă utilizarea metodei Secant atunci când plasticitatea la vârful fisurii este mai proeminentă. De asemenea, deoarece standardul ASTM E 561 nu conține cerințe privind dimensiunea epruvetei sau extinderea maximă admisibilă a fisurii, astfel că independența dimensională a curbei de rezistență nu este garantată. Puține studii arată că dependența de mărime este mai puțin detectată în datele experimentale pentru metoda Secant.

Determinarea JICEdit

Rata de eliberare a energiei de deformare pe unitatea de suprafață de fractură se calculează prin metoda integralei J, care este o integrală a traseului de contur în jurul vârfului fisurii, unde traseul începe și se termină pe oricare dintre suprafețele fisurii. Valoarea rezistenței J semnifică rezistența materialului în termeni de cantitate de energie de solicitare necesară pentru ca o fisură să se dezvolte. Valoarea de tenacitate JIC se măsoară pentru materialele elasto-plastice. Acum, valoarea unică JIC este determinată ca fiind duritatea în apropierea începutului extinderii fisurii ductile (efectul de întărire prin deformare nu este important). Încercarea se efectuează cu încărcarea mai multor epruvete, fiecare dintre ele la diferite niveluri și descărcarea. Astfel se obține conformitatea deschiderii gurii de fisură, care urmează să fie utilizată pentru a obține lungimea fisurii cu ajutorul relațiilor date în standardul ASTM E 1820, care se referă la testarea integrala J. O altă modalitate de măsurare a creșterii fisurilor este marcarea epruvetei cu tentă termică sau cu fisuri de oboseală. Epruveta este în cele din urmă ruptă în bucăți, iar extinderea fisurii este măsurată cu ajutorul mărcilor.

Încercarea astfel efectuată produce mai multe curbe de sarcină în funcție de deplasarea de deschidere a gurii fisurii (CMOD), care sunt folosite pentru a calcula J după cum urmează:-

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

Elasticitatea liniară J se calculează folosind

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

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

unde BN este grosimea netă pentru epruvetele cu caneluri laterale și egală cu B pentru epruvetele fără caneluri laterale

Plastica elastică J se calculează folosind

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

Unde η {\displaystyle \eta }

=2 pentru proba SENB

bo este lungimea inițială a ligamentului dată de diferența dintre lățimea și lungimea inițială a fisurii

APl este aria plastică sub curba sarcină-deplasare.

Se folosește o tehnică specializată de reducere a datelor pentru a obține un JQ provizoriu. Valoarea este acceptată dacă este îndeplinit următorul criteriu

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

Determinarea rezistenței la rupere (testul de rupere Kahn)Edit

Testul de rupere (de exemplu, testul de rupere Kahn) oferă o măsură semicantitativă a tenacității în termeni de rezistență la rupere. Acest tip de test necesită un specimen mai mic și, prin urmare, poate fi utilizat pentru o gamă mai largă de forme de produse. Testul de rupere poate fi, de asemenea, utilizat pentru aliajele de aluminiu foarte ductile (de exemplu 1100, 3003), unde nu se aplică mecanica fracturii elastice liniare.

Metode standard de testareEdit

O serie de organizații publică standarde legate de măsurătorile rezistenței la rupere, și anume 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-Metoda standard de încercare pentru măsurarea rezistenței la rupere
• ASTM E1820 Standard Test Method for the 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, utilizată pentru determinarea rezistenței la rupere pentru carburi cimentate.