Жилавост на разрушаване по KIC – коефициент на интензитет на напрежението и механика на разрушаване

Жикавостта на разрушаване (K _IC) е една от основните характеристики, използвани в механиката на разрушаване. Тя определя критичния коефициент на интензитет на напрежението за пукнатина от тип I , причинена от плоско напрежение , при която започва нестабилен растеж на пукнатина при условия, типични за линейно-еластичната механика на разрушаване. K _IC позволява оценка на съпротивлението на материал, съдържащ пукнатина, на нестабилен растеж на пукнатина. Този параметър е коренно различен от якостта на опън (Rm) , границата на провлачване (Re или Rp0,2) , ударната якост (KV) и твърдостта.

Защо е необходима механика на разрушаване?

Класическите параметри на якост като Rm и Rp0,2 са много важни при проектирането на конструкции, но те не описват директно поведението на компонент, съдържащ съществуваща пукнатина. В реални компоненти може да се случи следното:

• пукнатини от умора на тялото,
• пукнатини при заваряване,
• материални прекъсвания,
• производствени дефекти,
• пукнатини, образувани по време на експлоатация,
• корозионни щети,
• остри прекъсвания, действащи като концентратори на напрежение.

В близост до върха на пукнатината се наблюдава много висока концентрация на напрежение. Механиката на разрушаване ни позволява да анализираме дали пукнатината ще остане стабилна или ще започне да расте бързо, което ще доведе до повреда на компонента.

Какво означава символът К?

В линейно-еластичната механика на разрушаване, символът K обозначава коефициента на интензитет на напрежението . Той описва интензитета на полето на напрежение близо до върха на пукнатината и зависи, наред с други неща, от:

• стойност на приложеното напрежение,
• дължина на пукнатината,
• геометрия на елементите,
• положението и геометрията на пукнатината.

За много прости случаи зависимостта може да бъде представена в общата форма: K _I = Yσ√(πa) , където:

• K_I – коефициент на интензитет на напрежението за режим на натоварване тип I,
• Y – безразмерен коефициент, зависещ от геометрията на елемента и пукнатината,
• σ – номинално напрежение,
• a – характерен размер на пукнатината.

Формулата показва, че интензитетът на напрежението на върха на пукнатината се увеличава както с увеличаване на напрежението, така и с увеличаване на дължината на пукнатината.

Какво означават KI и KIC?

Символът K _I обозначава коефициента на интензитет на напрежението за режим I , т.е. случая, в който повърхностите на счупване са раздалечени от напрежения, действащи практически перпендикулярно на равнината на счупване. K _IC е критичната стойност на K _I , която отговаря на изискванията за равнинно напрежение и валидност на изпитването. С прости думи:

• K_I < К_IC – самото състояние все още не показва, че е достигната критична стойност на жилавостта на разрушаване,
• K_I → К_IC – достигнато е критичното състояние, подходящо за K_IC при условия, съответстващи на неговото определение.

Това обаче не означава, че K _IC може да се прилага без да се вземат предвид геометрията, вида на материала и обхватът на валидност на линейно-еластичната механика на разрушаване.

Звено за ОЗИ

В системата SI, жилавостта на разрушаване KIC _най -често се изразява в MPa√m . Единицата се извежда от коефициента на интензитет на напрежението, който включва напрежението и корен квадратен от дължината. Примерно означение може да бъде: KIC = 50 MPa√m . Стойности, дадени в други единици _, не трябва да се сравняват без правилно преобразуване.

Три основни начина за натоварване на пукнатина

В механиката на разрушаването има три основни начина за натоварване на пукнатина:

K _IC се отнася до режим I , който е от особено значение в много практически случаи на структурно напукване.

Какво означава буквата C в KIC?

Буквата C се отнася до критичната стойност. Стойността K, достигната при нестабилен растеж на пукнатини, може да се определи като критична стойност, но само след като са изпълнени съответните условия на изпитване _, резултатът може да се класифицира като KIC.

Какво означава Кц?

K _c е критичната стойност на коефициента на интензитет на напрежението, определен при дадени условия. Стойността му може да зависи, наред с други неща, от дебелината на пробата и състоянието на напрежение. Не всеки резултат от K _c е K _IC . K _IC е специален случай на жилавост на разрушаване, определена чрез спазване на изисквания, които осигуряват, наред с други неща, достатъчно високо ниво на ограничаване на пластичната деформация на върха на пукнатината.

Плоско напрежение и плоско напрежение

Дебелината на даден компонент има значително влияние върху условията в близост до върха на пукнатината. При тънки компоненти, плоското напрегнато състояние може да е по-значително, с по-голям потенциал за пластична деформация. При достатъчно дебели компоненти, в средата на напречното сечение може да се развие почти плоско деформационно състояние. Това води до по _- голямо ограничаване на пластичната деформация. KIC е жилавостта на разрушаване, определена за плоското напрегнато състояние. Поради тази причина са необходими подходяща геометрия и размер на пробата.

Защо дебелината на пробата е важна?

Ако пробата е твърде тънка, условията на равнинно деформиране може да не бъдат постигнати. В този случай получената критична стойност може да е по-висока от действителната стойност _{на KIC} , тъй като материалът има по-голям потенциал за локална пластична деформация. Следователно, процедурите за изпитване определят изисквания, наред с други неща, за:

• дебелина на пробата,
• дължина на пукнатината,
• размери на останалото напречно сечение,
• връзката на тези размери със свойствата на материала.

Пластична зона на върха на пукнатината

Теоретичното линейно-еластично решение води до много високи напрежения в непосредствена близост до идеалния връх на пукнатината. В реален материал там се развива зона на пластична деформация _{. Линейно-еластичната механика на разрушаване е най-полезна, когато пластичната зона е достатъчно малка спрямо характерните размери на пробата или компонента. Ако пластичната деформация е твърде обширна, други параметри на механиката на разрушаване, като JIC} или параметри, базирани на отвора на върха на пукнатината (CTOD), може да са по- подходящи.

KIC срещу JIC срещу CTOD

Изборът на подходящ параметър зависи от материала, геометрията, нивото на пластичност и използваната процедура за изпитване.

Как се подготвя проба за тестване на KIC?

За изпитване се използват специално подготвени образци, съдържащи прорез и истинска пукнатина от умора на материала . Само създаването на остър механичен прорез не е достатъчно, за да се представи точно върха на истинска пукнатина. Пукнатина от умора на материала се въвежда преди самото изпитване чрез контролирано циклично натоварване на образеца.

Типични проби за изпитване на жилавост на разрушаване

Най-често използваните геометрии включват:

• CT – Компактно напрежение,
• SE(B) – Огъване с единичен ръб, т.е. проба с едностранна пукнатина, натоварена при огъване.

Геометрията на пробата, методът на образуване на пукнатини от умора и процедурата на натоварване са строго определени от съответния метод на изпитване.

Как се провежда KIC тестът?

Най-просто казано, проучването включва:

1. подготовка на проба със специфична геометрия,
2. правене на прорез,
3. въвеждане на контролирано напукване от умора на тялото,
4. измерване на размерите на пробата и дължината на пукнатината,
5. контролирано зареждане на пробата,
6. записване на сила и съответното изместване,
7. определяне на условната стойност,
8. проверка на критериите за валидност на изследването.

Само резултат, който отговаря на необходимите критерии, може да бъде признат за K _IC.

KQ и KIC

По време на тестването първо може да се определи условна стойност, обозначена като K _Q . След това се проверяват необходимите критерии за валидност, включително поведението и размерите на пробата. Ако всички изисквания са изпълнени: K _Q = K _IC . Ако критериите не са изпълнени, резултатът не трябва да се отчита като K _IC.

Условие за размер на пробата

Класическите процедури по линейно-еластична механика на разрушаване използват критерии, които осигуряват подходящо малка пластична зона спрямо размерите на образеца. Обикновено необходимите характерни размери на образеца трябва да бъдат достатъчно големи спрямо (KQ _/ Rp0,2 ₎ ² . За конкретно изпитване трябва да се използват точните критерии, посочени в съответния стандарт, тъй като те зависят от процедурата и начина, по който се определя границата на провлачване.

Защо тестването на силно пластични материали е по-трудно?

В силно пластични материали може да се развие значителна зона на пластична деформация преди разпространението на пукнатината. За да се постигнат условията, необходими за правилно определяне _{на KIC} , може да са необходими много дебели проби. В такива материали методите на еластично-пластичната механика на разрушаване , като тези, използващи J-интеграл или CTOD, често са по-подходящи.

KIC и Rm и Rp0,2

KIC , Rm и Rp0,2 описват напълно различни аспекти на поведението на материала_.

Материал с много висока якост може да има относително ниска жилавост на разрушаване. Увеличаването на якостта чрез промяна на микроструктурата не води непременно до увеличаване на _KIC.

Ударна якост KIC и KV

KIC не е същото като KV енергията от теста на Шарпи . Тестът на Шарпи включва динамично разрушаване на образец с назъбен профил с махало, а резултатът от абсорбираната енергия е даден в Дж. _{Тестът KIC} използва образец, съдържащ пукнатина от умора, и се основава на принципите на механиката на разрушаване.

Няма единна универсална зависимост, която да позволява директното преобразуване на KV в K _IC.

ОЗИ и умора на материалите

K _IC определя критичното състояние, свързано с нестабилно напукване, докато при анализа на разпространението на пукнатини от умора, диапазонът на коефициента на интензитет на напрежението е от особено значение: ΔK = K _max – K _min . В рамките на специфичен диапазон на стабилен растеж на пукнатината, нейната скорост може да бъде описана от закона на Парис: da/dN = C(ΔK) ^m . С нарастването на пукнатината, K _max може да се увеличи. Достигането на критични условия на устойчивост на пукнатини може да доведе до окончателно, бързо разрушаване на компонента.

KIC и твърдост

Няма универсална формула за определяне на KIC _от твърдостта . Увеличаването на твърдостта и якостта на материала може да е свързано с промени в неговата жилавост на разрушаване, но връзката зависи от микроструктурата, химичния състав, термичната обработка и механизма на разрушаване. Високата твърдост не означава автоматично висока жилавост на разрушаване.

Влияние на микроструктурата върху KIC

Устойчивостта на напукване зависи, наред с други неща, от:

• химичен състав,
• микроструктури,
• размер на зърната,
• вид и подреждане на фазите,
• неметални включвания,
• секрети,
• термична обработка,
• степен на втвърдяване на материала.

Промените, които увеличават Rm или твърдостта, могат едновременно да намалят способността на материала да претърпява локална пластична деформация на върха на пукнатината. Следователно, тези свойства трябва да се анализират заедно.

Влиянието на температурата върху жилавостта на разрушаване

Температурата може да окаже значително влияние върху механизма на разрушаване и жилавостта на разрушаване. Някои феритни стомани могат да покажат значително намаляване на жилавостта на разрушаване с понижаване на температурата, преминавайки към по-крехко поведение. Следователно, при нискотемпературни приложения, жилавостта на разрушаване трябва да се оценява при температури, съответстващи на действителните работни условия.

Влияние на посоката на вземане на проби

Материалите могат да проявяват анизотропия след валцоване, коване или други технологични процеси. Жилавостта на разрушаване може да зависи от:

• посока на натоварване,
• посока на разпространение на пукнатини,
• ориентация спрямо посоката на валцоване или коване.

Следователно, ориентацията на пробата трябва да се вземе предвид при сравняване на резултатите от K _IC.

Въздействие върху околната среда

Съпротивлението на конструкция, съдържаща пукнатина, може да се промени под влияние на работната среда. От особено значение може да бъде:

• водород,
• корозивни среди,
• напукване от корозия на напрежение,
• повишена температура,
• дългосрочно излагане на агресивни среди.

При такива условия, само K _IC , определен в стандартна лабораторна среда, може да не е достатъчен за пълна оценка на безопасността на проекта.

Критична дължина на пукнатината

Връзката K _I = Yσ√(πa) показва, че с нарастването на пукнатината стойността на K _I се увеличава . Ако приемем критичното условие K _I = K _IC , критичният размер на пукнатината може да се определи за подходящо дефиниран случай: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Това илюстрира основен принцип на механиката на разрушаване: допустимият размер на пукнатината зависи както от жилавостта на материала на разрушаване, така и от нивото на напрежение и геометрията на конструкцията. В реалните конструкции трябва да се използват подходящи геометрични решения, коефициенти на безопасност и подходящи процедури за оценка на повредите.

Защо една малка пукнатина може да е безопасна, а по-голяма не?

При постоянно напрежение, стойността на K се увеличава с корен квадратен от характерния размер на пукнатината. Това означава, че пукнатина, която първоначално не достига критично състояние, може постепенно да расте поради умора, корозия или други процеси. След като се достигне критичен размер, е възможен нестабилен растеж на пукнатината и бърза повреда на компонентите. Ето защо контролът на пукнатините с помощта на методи за безразрушителен контрол е толкова важен в критичните конструкции.

Прилагане на ОЗИ на практика

Познаването на жилавостта на разрушаване е особено важно при проектирането и оценяването на:

• съдове под налягане,
• тръбопроводи,
• конструкции на самолети,
• енергийни елементи,
• турбини,
• валове и ротори,
• заварени конструкции,
• елементи, работещи при ниски температури,
• конструкции, при които възможността за напукване трябва да се вземе предвид при анализа на безопасността.

Механиката на разрушаване позволява свойствата на материала , размера на пукнатината и нивото на напрежение да бъдат свързани в един анализ.

Стандарти за устойчивост на пукнатини

Изпитването на жилавост на разрушаване на метали е описано в специализирани стандарти, включително ASTM E399 за линейно-еластична жилавост на разрушаване на метални материали, както и в съответните стандарти ISO за механика на разрушаване. Съответният стандарт уточнява, наред с други неща:

• геометрия на примера,
• образуване на пукнатини от умора на тялото,
• метод на зареждане,
• измерване на дължината на пукнатината,
• определяне на условната стойност на K_Q,
• критерии за разпознаване на резултата като K_IC.

Следователно , когато се отчитат стойностите на K _IC , е необходимо да се знае методът на изпитване и условията, при които е получен резултатът.

По-висок KIC означава ли по-добър материал?

Не във всяко приложение. По-висок K _IC означава по-голяма устойчивост на материала към нестабилен растеж на пукнатини при условия, съответстващи на определението на този параметър. Това обаче не означава автоматично по-голямо:

• граница на провлачване,
• якост на опън,
• твърдост,
• устойчивост на износване,
• устойчивост на корозия,
• якост на умора.

Изборът на материали изисква отчитане на пълен набор от свойства, съответстващи на реалните експлоатационни условия.

ОЗИ – най-важната информация

• K_IC е жилавостта на разрушаване за режим I при условия на равнинно напрежение.
• Блок К_IC най-вече съм MPa√m.
• K описва интензитета на полето на напрежение близо до върха на пукнатината.
• За прости случаи K може да се запише във вида K_I = Yσ√(πa).
• С увеличаване на напрежението или дължината на пукнатината, K се увеличава_I.
• Не всеки К_c е К_IC.
• По време на теста, първо може да се определи условната стойност K_Q.
• Само изпълнението на критериите за валидност позволява K да бъде разпознат_Q за К_IC.
• За изпитване се използва проба, съдържаща действителна пукнатина от умора.
• Дебелината на пробата е от решаващо значение за постигане на условия на равнинно напрежение.
• K_IC не е същото като Rm, Rp0,2, твърдост или KV енергия.
• Няма универсално преобразуване на KV в K_IC.
• В случай на значителна пластификация, могат да се използват параметри на еластично-пластичната механика на разрушаване, като например J._IC и КТОД.
• K_IC позволява ви да свържете съпротивлението на материала на счупване с размера на съществуващата празнина и нивото на напрежение.

Механични свойства - Списък

• Якост на опън Rm
• Граница на провлачване Re, ReH и ReL
• Конвенционална граница на провлачване Rp0,2
• Разширение А и А5
• Z-стесняване
• Модул на Юнг E
• Коефициент на Поасон ν
• Модул на Кирхоф G
• Ударна якост KV и KU – тест по Шарпи
• Твърдост на метала – HBW, HRC, HRB, HV и Knoop
• Якост на умора и умора на материала
• Устойчивост на напукване K_IC
• Якост на натиск
• Якост на огъване
• Якост на срязване
• Пълзене на материалите и механични свойства при високи температури
• Статично изпитване на опън на метали
• Крива на напрежение-деформация