KIC törési szívósság – feszültségintenzitási tényező és törésmechanika

A törési szívósság (K _IC) a törésmechanikában használt egyik alapvető jellemző. Meghatározza az I. típusú síkbeli alakváltozási repedés kritikus feszültségintenzitási tényezőjét , amelynél a lineáris-elasztikus törésmechanikára jellemző körülmények között instabil repedésnövekedés kezdődik. A K _IC lehetővé teszi egy repedést tartalmazó anyag instabil repedésnövekedéssel szembeni ellenállásának értékelését. Ez a paraméter alapvetően különbözik a szakítószilárdságtól (Rm) , a folyáshatártól (Re vagy Rp0,2) , az ütési szilárdságtól (KV) és a keménységtől.

Miért van szükség törésmechanikára?

A klasszikus szilárdsági paraméterek, mint például az Rm és az Rp0,2, nagyon fontosak a szerkezeti tervezésben, de nem írják le közvetlenül egy meglévő repedést tartalmazó alkatrész viselkedését. Valós alkatrészekben a következők fordulhatnak elő:

fáradási repedések,
hegesztési repedések,
anyagi diszkontinuitások,
gyártási hibák,
működés közben keletkezett repedések,
korróziós károk,
éles folytonossági hiányok, amelyek feszültségkoncentrátorként működnek.

A repedéscsúcs közelében nagyon nagy feszültségkoncentráció alakul ki. A törésmechanika lehetővé teszi annak elemzését, hogy a repedés stabil marad-e, vagy gyorsan növekedni kezd, ami alkatrész meghibásodáshoz vezet.

Mit jelent a K szimbólum?

A lineáris-elasztikus törésmechanikában a K szimbólum a feszültségintenzitási tényezőt jelöli . Ez a repedéscsúcs közelében lévő feszültségtér intenzitását írja le, és többek között a következőktől függ:

az alkalmazott feszültség értéke,
repedés hossza,
elem geometriája,
a repedés helye és geometriája.

Sok egyszerű esetben a kapcsolat a következő általános alakban írható fel: K _I = Yσ√(πa) , ahol:

K_I – feszültségintenzitási tényező I. típusú terhelési mód esetén,
Y – dimenzió nélküli tényező, amely az elem és a repedés geometriájától függ,
σ – névleges feszültség,
a – jellemző repedésméret.

A képlet azt mutatja, hogy a repedéscsúcsban a feszültségintenzitás mind a növekvő feszültséggel, mind a repedéshossz növekedésével növekszik.

Mit jelent a KI és a KIC?

A K _I szimbólum az I. módra vonatkozó feszültségintenzitási tényezőt jelöli , azaz azt az esetet, amikor a törési felületeket a törés síkjára lényegében merőlegesen ható feszültségek feszítik szét. A K _IC_{a K I} kritikus értéke , amely megfelel a síkbeli feszültségre és a vizsgálat érvényességére vonatkozó követelményeknek. Egyszerűen fogalmazva:

K_I < K_IC – maga a feltétel még nem jelzi, hogy a törési szívósság kritikus értékét elérték,
K_I → K_IC – elérjük a K-nak megfelelő kritikus állapotot_IC definíciójának megfelelő körülmények között.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy a K _IC alkalmazható a geometria, az anyagtípus és a lineáris-elasztikus törésmechanika érvényességi tartományának figyelembevétele nélkül.

TIT-egység

Az SI-rendszerben a törési szívósságot (K _IC) leggyakrabban MPa√m -ben fejezik ki . A mértékegység a feszültségintenzitási tényezőből származik, amely magában foglalja a feszültséget és a hossz négyzetgyökét. Egy példa a jelölésre: K _IC = 50 MPa√m . A más mértékegységben megadott értékeket megfelelő átváltás nélkül nem szabad összehasonlítani.

A repedések betöltésének három alapvető módja

A törésmechanikában három alapvető módja van a repedés terhelésének:

Út	Kijelölés	A rakomány jellege
I. mód	K_I	A repedés megnyitása
II. mód	K_II	Nyírás a törési síkban
III. mód	K_III	Síkon kívüli nyírás

A K _IC az I. módra utal , amely különösen fontos a szerkezeti repedések számos gyakorlati esetében.

Mit jelent a C betű a KIC-ben?

A C betű a kritikus értékre utal . Az a K érték, amelyet akkor érnek el, amikor instabil repedésnövekedés következik be, kritikus értéknek nevezhető, de csak a megfelelő vizsgálati feltételek teljesülése után osztályozható az eredmény K _IC -ként.

Mit jelent a Kc?

K _c a feszültségintenzitási tényező kritikus értéke adott körülmények között meghatározva. Értéke többek között a minta vastagságától és a feszültségállapottól függhet. Nem minden K _c eredmény egyben K _IC is . A K _IC a törési szívósság speciális esete, amelyet többek között a repedéscsúcson kellően magas szintű képlékeny alakváltozás korlátozását biztosító követelmények teljesítése határoz meg.

Síkfeszültség és síkfeszültség

Egy alkatrész vastagsága jelentős hatással van a repedéscsúcs közelében lévő körülményekre. Vékony alkatrészeknél a síkbeli feszültségi állapot jelentősebb lehet, nagyobb a képlékeny alakváltozás potenciálja. Kellően vastag alkatrészeknél a keresztmetszet közepén közel síkbeli alakváltozási állapot alakulhat ki . Ez nagyobb visszatartást okoz a képlékeny alakváltozásnak. A K _IC a síkbeli alakváltozási állapotra meghatározott törési szívósság. Emiatt megfelelő minta geometriára és méretre van szükség.

Miért fontos a minta vastagsága?

Ha a minta túl vékony, előfordulhat, hogy a síkbeli alakváltozási feltételek nem teljesülnek. Ebben az esetben a kapott kritikus érték magasabb lehet, mint a tényleges K _IC érték , mivel az anyagnak nagyobb a lokális képlékeny alakváltozás potenciálja. Ezért a vizsgálati eljárások többek között a következőkre vonatkozó követelményeket határoznak meg:

minta vastagsága,
repedés hossza,
a fennmaradó keresztmetszet méretei,
ezen méretek kapcsolata az anyag tulajdonságaival.

Repedéscsúcs műanyag zónája

Az elméleti lineáris-elasztikus megoldás nagyon nagy feszültségekhez vezet az ideális repedéscsúcs közvetlen közelében. Egy valós anyagban ott egy képlékeny deformációs zóna alakul ki _{. A lineáris-elasztikus törésmechanika akkor a leghasznosabb, ha a képlékeny zóna elég kicsi a minta vagy alkatrész jellemző méreteihez képest. Ha a képlékeny deformáció túl nagy, akkor más törésmechanikai paraméterek, például a JIC} vagy a repedéscsúcs nyílásán (CTOD) alapuló paraméterek megfelelőbbek lehetnek.

KIC vs. JIC vs. CTOD

Paraméter	kérelem
K_IC	Lineáris-rugalmas törésmechanika és a megfelelő síkbeli alakváltozási feltételek
J_IC	A repedésképződés értékelése az anyag rugalmas-képlékeny viselkedésének figyelembevételével
CTOD	A törési szívósság értékelése a repedéscsúcs nyílása alapján

A megfelelő paraméter kiválasztása az anyagtól, a geometriától, a képlékenységi szinttől és az alkalmazott vizsgálati eljárástól függ.

Hogyan készül fel egy minta a KIC tesztelésre?

A vizsgálathoz speciálisan előkészített, bevágást és valódi fáradásos repedést tartalmazó mintákat használnak . Egy éles mechanikai bevágás létrehozása nem elegendő a valódi repedés csúcsának pontos ábrázolásához. A fáradásos repedést a tényleges vizsgálat előtt a minta szabályozott ciklikus terhelésével hozzák létre.

Tipikus minták törési szívósság vizsgálatához

A leggyakrabban használt geometriák a következők:

CT – Kompakt feszültség,
SE(B) – Egyélű hajlítás, azaz egy egyoldalas repedéssel rendelkező minta, amely a következő ponton van terhelve: hajlítás.

A minta geometriáját, a fáradásos repedésképződés módját és a terhelési eljárást a megfelelő vizsgálati módszer szigorúan meghatározza.

Hogyan zajlik a KIC-teszt?

Egyszerűen fogalmazva, a tanulmány a következőket tartalmazza:

egy meghatározott geometriájú minta előkészítése,
egy bevágást készítve,
szabályozott fáradásos repedés bevezetése,
a minta méreteinek és a repedéshossz mérése,
a minta szabályozott betöltése,
az erő és a hozzá tartozó elmozdulás rögzítése,
a feltételes érték meghatározása,
a tanulmány érvényességi kritériumainak ellenőrzése.

Csak az a találat ismerhető el TIT-ként, amely megfelel a szükséges _{kritériumoknak}.

KQ és KIC

_{A tesztelés során először egy feltételes értéket, a} KQ _- t kell meghatározni . Ezután ellenőrzik a szükséges érvényességi kritériumokat, beleértve a minta viselkedését és dimenzióit. Ha minden követelmény teljesül: KQ = _KIC . Ha a kritériumok nem teljesülnek, az eredményt nem szabad _KIC- ként jelenteni.

Mintaméret-feltétel

A klasszikus lineáris-elasztikus törésmechanikai eljárások olyan kritériumokat alkalmaznak, amelyek biztosítják a minta méreteihez képest megfelelően kis képlékeny zónát. A szükséges karakterisztikus minta méretei jellemzően kellően nagyok kellően nagyok a (K _Q / R _p0,2 )²-hez képest . Egy adott vizsgálathoz a megfelelő szabvány által meghatározott pontos kritériumokat kell használni, mivel ezek az eljárástól és a folyáshatár meghatározásának módjától függenek.

Miért nehezebb a nagy képlékeny anyagok vizsgálata?

A nagy képlékenységű anyagokban jelentős képlékeny alakváltozási zóna alakulhat ki a repedés terjedése előtt. A helyes K _IC meghatározásához szükséges feltételek eléréséhez nagyon vastag mintákra lehet szükség. Ilyen anyagokban a rugalmas-képlékeny törésmechanikai módszerek , például a J-integrál vagy a CTOD módszer, gyakran megfelelőbbek.

KIC, Rm és Rp0,2

A K _IC , Rm és Rp0,2 az anyagviselkedés teljesen különböző aspektusait írják le.

Paraméter	Mit ír le?	Tipikus egység
Rm	Maximális mérnöki feszültség statikus szakítópróba	MPa
Rp0,2	Hagyományos folyáshatár	MPa
K_IC	Ellenállás az instabil repedésképződéssel szemben meghatározott törésmechanikai körülmények között	MPa√m

_{Egy nagyon nagy szilárdságú anyag viszonylag alacsony törési szívóssággal rendelkezhet. A mikroszerkezet megváltoztatásával történő szilárdságnövelés nem feltétlenül vezet a KIC} növekedéséhez.

KIC és KV ütésállóság

A K _IC nem ugyanaz, mint a Charpy-vizsgálatból származó KV energia . A Charpy-vizsgálat során egy bevágott mintát dinamikusan törnek ingával, az elnyelt energia eredményét pedig J-ban adják meg. A K _IC vizsgálat egy fáradásos repedést tartalmazó mintát használ, és a törésmechanika elvein alapul.

Jellegzetes	KV	K_IC
Próbka	Egy bevágással	Éles fáradásos repedéssel
Betöltés	Dinamikus hatás	Szabályozott terhelés a törésmechanikai eljárás szerint
Wynik	Elnyelt energia	Kritikus stresszintenzitási tényező
Mértékegység	J	MPa√m

Nincs egyetlen univerzális összefüggés, amely lehetővé teszi a KV közvetlen K _IC- vé alakítását.

TIT és anyagkimerülés

A K _{IC az instabil repedéssel járó kritikus állapotot definiálja, míg}a fáradásos repedésterjedés elemzésében a feszültségintenzitási tényező tartománya különösen fontos: ΔK = K _max – K _min . A stabil repedésnövekedés egy adott tartományán belül a sebessége Párizs törvényével írható le: da/dN = C(ΔK) ^m . A repedés növekedésével a K _max növekedhet. A repedésállóság kritikus feltételeinek elérése az alkatrész végső, gyors meghibásodásához vezethet.

TIT és keménység

Nincs univerzális képlet a K _{IC meghatározásához}a keménység alapján . Egy anyag keménységének és szilárdságának növekedése összefüggésben állhat a törési szívósság változásával, de az összefüggés a mikroszerkezettől, a kémiai összetételtől, a hőkezeléstől és a törési mechanizmustól függ. A nagy keménység nem feltétlenül jelent nagy törési szívósságot.

A mikrostruktúra hatása a TIT-re

A repedésállóság többek között a következőktől függ:

kémiai összetétel,
mikrostruktúrák,
szemcseméret,
a fázisok típusa és elrendezése,
nemfémes zárványok,
váladékok,
hőkezelés,
az anyag keményedésének mértéke.

Az Rm-et vagy a keménységet növelő változások egyidejűleg csökkenthetik az anyag lokális képlékeny alakváltozásra való képességét a repedéscsúcson. Ezért ezeket a tulajdonságokat együttesen kell elemezni.

A hőmérséklet hatása a törési szívósságra

A hőmérséklet jelentős hatással lehet a törési mechanizmusra és a törési szívósságra. Egyes ferrites acélok törési szívóssága jelentősen csökkenhet a hőmérséklet csökkenésével, és ridegebb viselkedés felé haladva alakul ki. Ezért alacsony hőmérsékletű alkalmazásokban a törési szívósságot a tényleges üzemi körülményeknek megfelelő hőmérsékleten kell értékelni.

A mintavételi irány hatása

Az anyagok anizotrópiát mutathatnak hengerlés, kovácsolás vagy más technológiai folyamatok után. A törési szívósság a következőktől függhet:

terhelés iránya,
a repedés terjedésének iránya,
a hengerlési vagy kovácsolási irányhoz viszonyított orientáció.

Ezért a minta orientációját figyelembe kell venni a K _IC eredmények összehasonlításakor.

Wpływ środowiska

Egy repedést tartalmazó szerkezet ellenállása megváltozhat az üzemi környezet hatására. Különösen fontosak lehetnek a következők:

hidrogén,
korrozív környezetek,
feszültségkorróziós repedés,
emelkedett hőmérséklet,
hosszú távú kitettség agresszív médiának.

Ilyen körülmények között a standard laboratóriumi környezetben meghatározott K _IC önmagában nem feltétlenül elegendő a terv biztonságának teljes körű értékeléséhez.

Kritikus repedéshossz

A K _I = Yσ√(πa) összefüggés azt mutatja, hogy a repedés növekedésével K _I értéke is növekszik . Ha feltételezzük a K _I = K _IC kritikus feltételt , akkor a kritikus repedésméret meghatározható egy megfelelően definiált esetre: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Ez a törésmechanika egyik alapelvét szemlélteti: a megengedett repedésméret mind az anyag törési szívósságától, mind a szerkezet feszültségszintjétől és geometriájától függ. Valós szerkezetekben megfelelő geometriai megoldásokat, biztonsági tényezőket és megfelelő kárfelmérési eljárásokat kell alkalmazni.

Miért lehet egy kis repedés biztonságos, de egy nagyobb nem?

Állandó feszültség mellett a K érték a karakterisztikus repedésméret négyzetgyökével növekszik. Ez azt jelenti, hogy egy olyan repedés, amely kezdetben nem éri el a kritikus állapotot, fokozatosan növekedhet a fáradás, a korrózió vagy más folyamatok miatt. A kritikus méret elérése után instabil repedésnövekedés és gyors alkatrész-törés lehetséges. Ezért olyan fontos a roncsolásmentes vizsgálati módszerekkel végzett repedésellenőrzés a kritikus szerkezetekben.

A TIT gyakorlati alkalmazása

A törési szívósság ismerete különösen fontos a következők tervezése és értékelése során:

nyomástartó edények,
csővezetékek,
repülőgép-szerkezetek,
energiaelemek,
turbinák,
tengelyek és rotorok,
hegesztett szerkezetek,
alacsony hőmérsékleten működő elemek,
olyan szerkezetek, ahol a repedés lehetőségét figyelembe kell venni a biztonsági elemzés során.

A törésmechanika lehetővé teszi az anyagtulajdonságok , a repedésméret és a feszültségszint összekapcsolását egyetlen elemzésben.

Repedésállósági szabványok

A fémek törési szívósságvizsgálatát speciális szabványok írják le, beleértve az ASTM E399 szabványt a fémes anyagok lineárisan rugalmas törési szívósságára vonatkozóan, valamint a vonatkozó ISO törésmechanikai szabványokat. A vonatkozó szabvány többek között a következőket határozza meg:

minta geometriája,
fáradásos repedések kialakulása,
a rakodás módja,
repedéshossz mérése,
K feltételes értékének meghatározása_Q,
kritériumok az eredmény K-ként való elismeréséhez_IC.

_{A K IC} értékek közölésekor ezért ismerni kell a vizsgálati módszert és azokat a körülményeket, amelyek között az eredményt kapták.

A magasabb KIC jobb anyagot jelent?

Nem minden alkalmazásban. A magasabb K _IC érték azt jelenti, hogy az anyag nagyobb ellenállást mutat az instabil repedésnövekedéssel szemben a paraméter definíciójának megfelelő körülmények között. Ez azonban nem jelenti automatikusan a következők nagyobb mértékű ellenállását:

Az anyagválasztás során figyelembe kell venni a tényleges működési körülményeknek megfelelő tulajdonságok teljes körét.

TIT – a legfontosabb információk

K_IC az I. mód törési szívóssága síkfeszültség mellett.
K. egység_IC a leggyakoribb MPa√m.
A K a repedéscsúcs közelében lévő feszültségtér intenzitását írja le.
Egyszerű esetekben K a következő formában írható fel: K_I = Yσ√(πa).
A feszültség vagy a repedéshossz növekedésével K értéke is növekszik._I.
Nem minden K._c K_IC.
A teszt során először a K feltételes értéket lehet meghatározni._Q.
Csak az érvényességi kritériumok teljesítése teszi lehetővé a K elismerését_Q K-nak_IC.
A vizsgálathoz egy tényleges fáradási repedést tartalmazó mintát használnak.
A minta vastagsága kulcsfontosságú a síkfeszültség feltételeinek eléréséhez.
K_IC nem ugyanaz, mint az Rm, Rp0,2, keménység vagy a KV energia.
Nincs univerzális KV-K átváltás_IC.
Jelentős képlékenység esetén rugalmas-képlékeny törésmechanikai paraméterek, például J használhatók._IC és CTOD.
K_IC lehetővé teszi az anyag törési ellenállásának összefüggésbe hozását a meglévő rés méretével és a feszültségszinttel.