KIC-brudsejhed – spændingsintensitetsfaktor og brudmekanik

Brudsejhed (KIC ₎ er en af de grundlæggende egenskaber, der anvendes i brudmekanik. Den definerer den kritiske spændingsintensitetsfaktor for en plan tøjningsrevne _af type I , hvor ustabil revnevækst starter under forhold, der er typiske for lineær-elastisk brudmekanik. KIC muliggør vurdering af modstanden af et materiale, der indeholder en revne, over for ustabil revnevækst. Denne parameter er fundamentalt forskellig fra trækstyrke (Rm) , flydespænding (Re eller Rp0,2) , slagstyrke (KV) og hårdhed.

Hvorfor er brudmekanik nødvendig?

Klassiske styrkeparametre som Rm og Rp0,2 er meget vigtige i strukturdesign, men de beskriver ikke direkte opførslen af en komponent, der indeholder en eksisterende revne. I virkelige komponenter kan følgende forekomme:

udmattelsesrevner,
svejsningsrevner,
materielle diskontinuiteter,
fabrikationsfejl,
revner dannet under drift,
korrosionsskader,
Skarpe diskontinuiteter, der fungerer som stresskoncentratorer.

En meget høj spændingskoncentration opstår nær revnespidsen. Brudmekanik giver os mulighed for at analysere, om revnen vil forblive stabil eller begynde at vokse hurtigt, hvilket fører til komponentfejl.

Hvad betyder symbolet K?

I lineær-elastisk brudmekanik betegner symbolet K spændingsintensitetsfaktoren . Den beskriver intensiteten af spændingsfeltet nær revnespidsen og afhænger blandt andet af:

værdien af påført stress,
revnelængde,
elementgeometri,
Revnens position og geometri.

For mange simple tilfælde kan forholdet præsenteres på den generelle form: K _I = Yσ√(πa) , hvor:

K_I – spændingsintensitetsfaktor for type I-belastningstilstand,
Y – dimensionsløs faktor afhængig af elementets geometri og revnen,
σ – nominel spænding,
a – karakteristisk revnedimension.

Formlen viser, at spændingsintensiteten ved revnespidsen stiger både med stigende spænding og med stigende revnelængde.

Hvad betyder KI og KIC?

Symbolet K _I betegner spændingsintensitetsfaktoren for tilstand I , dvs. det tilfælde, hvor brudfladerne spredes fra hinanden af spændinger, der virker stort set vinkelret på brudplanet. K _{I C} er den kritiske værdi af K _I , der opfylder kravene til plan tøjning og testvaliditet. Enkelt sagt:

K_I < K_IC – selve tilstanden indikerer endnu ikke, at en kritisk værdi for brudstyrke er opnået,
K_I → K_IC – den kritiske tilstand, der er passende for K, er nået_IC under betingelser svarende til dens definition.

Dette betyder dog ikke, at K _IC kan anvendes uden at tage hensyn til geometrien, materialetypen og gyldighedsområdet for lineær-elastisk brudmekanik.

VIF-enhed

_{I SI -} systemet udtrykkes brudstyrke KIC _oftest i MPa√m . Enheden er afledt af spændingsintensitetsfaktoren, som inkluderer spænding og kvadratroden af længden. Et eksempel på notation kan være: KIC = 50 MPa√m . Værdier angivet i andre enheder bør ikke sammenlignes uden korrekt omregning.

Tre grundlæggende måder at indlæse en crack på

Inden for brudmekanik er der tre grundlæggende måder at belaste en revne på:

Vej	Betegnelse	Lastens art
Mod I	K_I	Åbning af revnen
Mod II	K_II	Klippe i brudplanet
Mod III	K_III	Forskydning ud af planet

KIC refererer til tilstand I , hvilket er af særlig betydning i mange praktiske tilfælde _af strukturelle revner.

Hvad betyder bogstavet C i KIC?

Bogstavet C refererer til den kritiske værdi . Den K-værdi, der opnås, når der opstår ustabil revnevækst, kan betegnes som den kritiske værdi, men først efter at de relevante testbetingelser er opfyldt, kan resultatet klassificeres _som KIC.

Hvad betyder Kc?

Kc er den kritiske værdi af spændingsintensitetsfaktoren bestemt under givne forhold. Dens værdi kan blandt andet afhænge af prøvetykkelsen og spændingstilstanden. _Ikke alle Kc _- resultater er KIC _. KIC er et særligt tilfælde af brudstyrke bestemt ved at opfylde krav, der blandt andet sikrer et tilstrækkeligt højt niveau _af plastisk tøjningsbegrænsning ved revnespidsen.

Planspænding og planbelastning

En komponents tykkelse har en betydelig indflydelse på forholdene nær revnespidsen. I tynde komponenter kan den plane spændingstilstand være mere betydelig med et større potentiale for plastisk deformation. I tilstrækkeligt tykke komponenter kan en næsten plan tøjningstilstand udvikle sig midt i tværsnittet . Dette medfører større begrænsning af plastisk deformation. KIC _er brudstyrken bestemt for den plane tøjningstilstand. Af denne grund kræves passende prøvegeometri og -størrelse.

Hvorfor er prøvetykkelse vigtig?

Hvis prøven er for tynd, kan plane tøjningsbetingelser muligvis ikke opnås. I dette tilfælde kan den resulterende kritiske værdi være højere end den faktiske KIC _- værdi , fordi materialet har et større potentiale for lokal plastisk deformation. Derfor specificerer testprocedurer krav til blandt andet:

prøvetykkelse,
revnelængde,
dimensioner af det resterende tværsnit,
forholdet mellem disse dimensioner og materialets egenskaber.

Plastzone ved revnespidsen

Den teoretiske lineær-elastiske løsning fører til meget høje spændinger i umiddelbar nærhed af den ideelle revnespids. I et virkeligt materiale udvikles der en plastisk deformationszone _{. Lineær-elastisk brudmekanik er mest nyttig, når den plastiske zone er lille nok i forhold til prøvens eller komponentens karakteristiske dimensioner. Hvis den plastiske deformation er for omfattende, kan andre brudmekaniske parametre, såsom JIC} eller parametre baseret på revnespidsåbningen (CTOD), være mere passende.

KIC vs. JIC vs. CTOD

Parameter	ansøgning
K_IC	Lineær-elastisk brudmekanik og tilsvarende plane tøjningsbetingelser
J_IC	Vurdering af revnedannelse under hensyntagen til materialets elastisk-plastiske adfærd
CTOD	Vurdering af brudstyrke baseret på åbning af revnespidsen

Valget af den passende parameter afhænger af materialet, geometrien, plasticitetsniveauet og den anvendte testprocedure.

Hvordan forberedes en prøve til KIC-testning?

Specielt fremstillede prøver indeholdende et hak og en ægte udmattelsesrevne anvendes til prøvning . Det er ikke tilstrækkeligt blot at skabe et skarpt mekanisk hak til nøjagtigt at repræsentere spidsen af en ægte revne. En udmattelsesrevne introduceres før den egentlige prøvning ved kontrolleret cyklisk belastning af prøven.

Typiske prøver til brudstyrkeprøvning

De mest almindeligt anvendte geometrier omfatter:

CT – Kompakt spænding,
SE(B) – Enkeltkantbøjning, dvs. en prøve med en ensidig revne belastet ved bøjning.

Prøvens geometri, metoden til dannelse af udmattelsesrevner og belastningsproceduren er strengt defineret af den relevante testmetode.

Hvordan udføres KIC-testen?

Kort sagt omfatter studiet:

forberedelse af en prøve med en specifik geometri,
laver et hak,
introduktion af kontrolleret udmattelsesrevnedannelse,
måling af prøvedimensioner og revnelængde,
kontrolleret påfyldning af prøven,
registrering af kraft og tilsvarende forskydning,
bestemmelse af den betingede værdi,
kontrol af studiets validitetskriterier.

_{Kun et resultat, der opfylder de krævede kriterier ,} kan genkendes som KIC.

KQ og KIC

Under testen kan en betinget værdi, betegnet som KQ _, først bestemmes . Derefter kontrolleres de nødvendige validitetskriterier, herunder prøvens adfærd og dimensioner. Hvis alle krav er opfyldt: _KQ = KIC _. Hvis kriterierne ikke er opfyldt, bør resultatet ikke rapporteres som _KIC.

Betingelse for stikprøvestørrelse

Klassiske lineær-elastiske brudmekaniske procedurer bruger kriterier, der sikrer en passende lille plastisk zone i forhold til prøvens dimensioner. Typisk skal de krævede karakteristiske prøvedimensioner være tilstrækkeligt store i forhold til (KQ _/ R _p0,2 )² . Til en specifik test bør de nøjagtige kriterier, der er specificeret af den relevante standard, anvendes, da de afhænger af proceduren og den måde, hvorpå flydespændingen er defineret.

Hvorfor er det vanskeligere at teste meget duktile materialer?

I meget duktile materialer kan der opstå en betydelig plastisk deformationszone før revneudbredelse. For at opnå de betingelser, der kræves for en korrekt KIC _- bestemmelse , kan meget tykke prøver være nødvendige. I sådanne materialer er elastisk-plastiske brudmekaniske metoder , såsom dem, der bruger J-integralen eller CTOD, ofte mere passende.

KIC og Rm og Rp0,2

KIC _, Rm og Rp0,2 beskriver helt forskellige aspekter af materialeadfærd.

Parameter	Hvad beskriver det?	Typisk enhed
Rm	Maksimal ingeniørbelastning i statisk trækprøvning	MPa
Rp0,2	Konventionel flydespænding	MPa
K_IC	Modstand mod ustabil revnedannelse under specifikke brudmekaniske forhold	MPa√m

Et materiale med meget høj styrke kan have relativt lav brudstyrke. Øget styrke ved at ændre mikrostrukturen fører ikke nødvendigvis til en stigning i _KIC.

KIC- og KV-slagstyrke

KIC er ikke det samme som KV-energien fra Charpy-testen . Charpy-testen involverer dynamisk brud på en prøve med et hak med et pendul, og resultatet af den absorberede energi er givet i J. KIC _{- testen bruger en prøve}_, der indeholder en udmattelsesrevne, og er baseret på principperne for brudmekanik.

Egenskab	KV	K_IC
Próbka	Med et hak	Med en skarp udmattelsesrevne
belastning	Dynamisk påvirkning	Kontrolleret belastning i henhold til procedure for brudmekanik
Wynik	Absorberet energi	Kritisk stressintensitetsfaktor
Enhed	J	MPa√m

Der findes ingen enkelt universel sammenhæng, der tillader direkte omdannelse af KV til _KIC.

KIC og materialetræthed

KIC definerer den kritiske tilstand forbundet med ustabil revnedannelse, mens spændingsintensitetsfaktorområdet er af særlig betydning i analysen af udmattelsesrevneudbredelse : ΔK = K _max – K _min_{. Inden for et specifikt område af} stabil revnevækst kan dens hastighed beskrives ved Paris' lov: da/dN = C(ΔK) ^m . Efterhånden som revnen vokser, kan K _max stige. Når kritiske betingelser for revnemodstand nås, kan det føre til endeligt, hurtigt svigt af komponenten.

KIC og hårdhed

Der findes ingen universel formel til at bestemme KIC _ud fra hårdhed . Stigninger i et materiales hårdhed og styrke kan være forbundet med ændringer i dets brudstyrke, men forholdet afhænger af mikrostrukturen, den kemiske sammensætning, varmebehandlingen og brudstyrken. Høj hårdhed betyder ikke automatisk høj brudstyrke.

Indflydelse af mikrostruktur på KIC

Modstandsdygtighed over for revner afhænger blandt andet af:

kemisk sammensætning,
mikrostrukturer,
kornstørrelse,
type og arrangement af faser,
ikke-metalliske indeslutninger,
sekreter,
varmebehandling,
graden af materialehærdning.

Ændringer, der øger Rm eller hårdhed, kan samtidig reducere materialets evne til at undergå lokal plastisk deformation ved revnespidsen. Derfor bør disse egenskaber analyseres samlet.

Temperaturens effekt på brudstyrke

Temperatur kan have en betydelig indflydelse på brudmekanismen og brudstyrken. Nogle ferritiske ståltyper kan udvise en betydelig reduktion i brudstyrken med faldende temperatur og overgå i en mere sprød opførsel. Derfor bør brudstyrken i lavtemperaturapplikationer vurderes ved temperaturer svarende til de faktiske driftsforhold.

Indflydelse af prøveudtagningsretningen

Materialer kan udvise anisotropi efter valsning, smedning eller andre teknologiske processer. Brudsejhed kan afhænge af:

belastningsretning,
retning af revneudbredelse,
orientering i forhold til valsnings- eller smederetningen.

Derfor bør prøveorienteringen tages i betragtning ved sammenligning af K _IC- resultater.

Miljøpåvirkning

Modstandsevnen i en konstruktion med en revne kan ændre sig under påvirkning af driftsmiljøet. Af særlig betydning kan være:

hydrogen,
ætsende miljøer,
spændingskorrosionsrevner,
forhøjet temperatur,
langvarig eksponering for aggressive medier.

Under sådanne forhold er K _IC alene bestemt i et standardlaboratoriemiljø muligvis ikke tilstrækkeligt til fuldt ud at vurdere designets sikkerhed.

Kritisk revnelængde

Forholdet K _I = Yσ√(πa) viser, at efterhånden som revnen vokser, stiger værdien af K _I. Hvis vi antager den kritiske tilstand K _I = K _IC , kan den kritiske revnedimension bestemmes for et passende defineret tilfælde: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Dette illustrerer et grundlæggende princip i brudmekanik: den tilladte revnestørrelse afhænger af både materialets brudstyrke og konstruktionens spændingsniveau og geometri. I virkelige konstruktioner skal der anvendes passende geometriske løsninger, sikkerhedsfaktorer og passende procedurer til vurdering af skader.

Hvorfor kan en lille revne være sikker, men en større ikke?

Ved konstant spænding stiger K-værdien med kvadratroden af den karakteristiske revnestørrelse. Det betyder, at en revne, der i starten ikke når en kritisk tilstand, gradvist kan vokse på grund af udmattelse, korrosion eller andre processer. Når en kritisk størrelse er nået, er ustabil revnevækst og hurtig komponentfejl mulig. Derfor er revnekontrol ved hjælp af ikke-destruktive testmetoder så vigtig i kritiske strukturer.

Anvendelse af KIC i praksis

Kendskab til brudstyrke er særligt vigtigt ved design og vurdering af:

trykbeholdere,
rørledninger,
flystrukturer,
energielementer,
turbiner,
aksler og rotorer,
svejsede strukturer,
elementer, der opererer ved lave temperaturer,
konstruktioner, hvor muligheden for revner skal tages i betragtning i sikkerhedsanalysen.

Brudmekanik gør det muligt at relatere materialeegenskaber , revnestørrelse og spændingsniveau i én analyse.

Standarder for revnemodstand

Brudsejhedsprøvning af metaller er beskrevet i specialiserede standarder, herunder ASTM E399 for lineær-elastisk brudstyrke af metalliske materialer, og i de relevante ISO-standarder for brudstyrke. Den relevante standard specificerer blandt andet:

prøvegeometri,
dannelse af udmattelsesrevner,
metode til læsning,
måling af revnelængde,
bestemmelse af den betingede værdi af K_Q,
kriterier for at genkende resultatet som K_IC.

Når man rapporterer _KIC- værdier , er det derfor nødvendigt at kende testmetoden og de betingelser, hvorunder resultatet blev opnået.

Betyder en højere KIC et bedre materiale?

Ikke i alle anvendelser. En højere _KIC betyder et materiales større modstandsdygtighed over for ustabil revnevækst under forhold, der svarer til definitionen af denne parameter. Det betyder dog ikke automatisk større:

Materialevalg kræver, at der tages hensyn til et komplet sæt af egenskaber, der svarer til de faktiske driftsforhold.

KIC – de vigtigste oplysninger

K_IC er brudstyrken for tilstand I under plane tøjningsforhold.
Enhed K_IC bare mest MPa√m.
K beskriver intensiteten af spændingsfeltet nær revnespidsen.
For simple tilfælde kan K skrives på formen K_I = Yσ√(πa).
Efterhånden som spændingen eller revnelængden øges, øges K_I.
Ikke alle K_c er K_IC.
Under testen kan den betingede værdi K først bestemmes_Q.
Kun opfyldelse af validitetskriterierne tillader genkendelse af K_Q til K_IC.
En prøve indeholdende en faktisk udmattelsesrevne anvendes til testning.
Prøvens tykkelse er afgørende for at opnå plane tøjningsbetingelser.
K_IC er ikke det samme som Rm, Rp0,2, hårdhed eller KV-energi.
Der er ingen universel omregning af KV til K_IC.
I tilfælde af betydelig plastificering kan elastisk-plastiske brudmekaniske parametre såsom J anvendes_IC og CTOD.
K_IC giver dig mulighed for at relatere et materiales brudmodstand til størrelsen af det eksisterende mellemrum og spændingsniveauet.