Ketangguhan retak KIC – faktor intensitas tegangan dan mekanika retak

Ketangguhan retak (K _IC) adalah salah satu karakteristik fundamental yang digunakan dalam mekanika retak. Parameter ini mendefinisikan faktor intensitas tegangan kritis untuk retak regangan bidang tipe I , di mana pertumbuhan retak tidak stabil dimulai dalam kondisi yang khas untuk mekanika retak elastis linier. K _IC memungkinkan penilaian ketahanan suatu material yang mengandung retak terhadap pertumbuhan retak tidak stabil. Parameter ini secara fundamental berbeda dari kekuatan tarik (Rm) , kekuatan luluh (Re atau Rp0,2) , kekuatan impak (KV) , dan kekerasan.

Mengapa mekanika fraktur diperlukan?

Parameter kekuatan klasik seperti Rm dan Rp0,2 sangat penting dalam desain struktur, tetapi parameter tersebut tidak secara langsung menggambarkan perilaku komponen yang mengandung retakan. Pada komponen nyata, hal-hal berikut dapat terjadi:

• retakan kelelahan,
• retakan pengelasan,
• diskontinuitas material,
• cacat produksi,
• retakan yang terbentuk selama pengoperasian,
• kerusakan korosi,
• diskontinuitas tajam yang bertindak sebagai konsentrator tegangan.

Konsentrasi tegangan yang sangat tinggi terjadi di dekat ujung retakan. Mekanika fraktur memungkinkan kita untuk menganalisis apakah retakan akan tetap stabil atau mulai tumbuh dengan cepat, yang menyebabkan kegagalan komponen.

Apa arti simbol K?

Dalam mekanika retak elastis linier, simbol K menunjukkan faktor intensitas tegangan . Simbol ini menggambarkan intensitas medan tegangan di dekat ujung retak dan bergantung pada, antara lain:

• nilai tegangan yang diterapkan,
• panjang retakan,
• geometri elemen,
• posisi dan geometri retakan.

Untuk banyak kasus sederhana, hubungan tersebut dapat disajikan dalam bentuk umum: K _I = Yσ√(πa) , di mana:

• K_I – faktor intensitas tegangan untuk mode pembebanan tipe I,
• Y – faktor tak berdimensi yang bergantung pada geometri elemen dan retakan,
• σ – tegangan nominal,
• a – dimensi retakan karakteristik.

Rumus tersebut menunjukkan bahwa intensitas tegangan di ujung retakan meningkat seiring dengan peningkatan tegangan dan peningkatan panjang retakan.

Apa arti KI dan KIC?

Simbol K _I menunjukkan faktor intensitas tegangan untuk mode I , yaitu kasus di mana permukaan patahan terpisah akibat tegangan yang bekerja hampir tegak lurus terhadap bidang patahan. K _IC adalah nilai kritis K _I yang memenuhi persyaratan regangan bidang dan validitas pengujian. Sederhananya:

• K_I < K_IC – kondisi itu sendiri belum menunjukkan bahwa nilai kritis ketahanan retak telah tercapai,
• K_I → K_IC – kondisi kritis yang sesuai untuk K telah tercapai_IC dalam kondisi yang sesuai dengan definisinya.

Namun, ini tidak berarti bahwa K _IC dapat diterapkan tanpa mempertimbangkan geometri, jenis material, dan rentang validitas mekanika retak elastis linier.

Unit KIC

Dalam sistem SI, ketahanan retak K _IC paling sering dinyatakan dalam MPa√m . Satuan ini berasal dari faktor intensitas tegangan, yang mencakup tegangan dan akar kuadrat panjang. Contoh notasi mungkin: K _IC = 50 MPa√m . Nilai yang diberikan dalam satuan lain tidak boleh dibandingkan tanpa konversi yang tepat.

Tiga cara dasar untuk memuat crack

Dalam mekanika patahan, ada tiga cara dasar untuk memberi beban pada retakan:

K _IC mengacu pada mode I , yang sangat penting dalam banyak kasus praktis keretakan struktural.

Apa arti huruf C dalam KIC?

Huruf C mengacu pada nilai kritis . Nilai K yang dicapai ketika pertumbuhan retak yang tidak stabil terjadi dapat ditetapkan sebagai nilai kritis, tetapi hanya setelah memenuhi kondisi pengujian yang sesuai, hasilnya dapat diklasifikasikan sebagai K _IC.

Apa arti Kc?

Kc adalah nilai kritis dari faktor intensitas tegangan yang ditentukan dalam kondisi tertentu. Nilainya dapat bergantung pada, antara lain, ketebalan sampel dan keadaan tegangan. Tidak setiap hasil Kc _adalah KICC _{. KICC} adalah _kasus khusus dari ketangguhan retak yang ditentukan dengan memenuhi persyaratan yang memastikan, antara lain, tingkat pembatasan regangan plastis yang cukup tinggi di ujung retak.

Tegangan bidang dan regangan bidang

Ketebalan suatu komponen memiliki dampak signifikan pada kondisi di dekat ujung retakan. Pada komponen tipis, kondisi tegangan bidang mungkin lebih signifikan, dengan potensi deformasi plastis _yang lebih besar. Pada komponen yang cukup tebal, kondisi regangan mendekati bidang dapat berkembang di tengah penampang . Hal ini menyebabkan hambatan yang lebih besar pada deformasi plastis. KIC adalah ketahanan retak yang ditentukan untuk kondisi regangan bidang. Karena alasan ini, geometri dan ukuran sampel yang sesuai diperlukan.

Mengapa ketebalan sampel penting?

Jika sampel terlalu tipis, kondisi regangan bidang mungkin tidak tercapai. Dalam hal ini, nilai kritis yang dihasilkan mungkin lebih tinggi daripada nilai _KIC sebenarnya karena material memiliki potensi deformasi plastis lokal yang lebih besar. Oleh karena itu, prosedur pengujian menetapkan persyaratan untuk, antara lain:

• ketebalan sampel,
• panjang retakan,
• dimensi penampang melintang yang tersisa,
• hubungan dimensi-dimensi ini dengan sifat-sifat material tersebut.

Zona plastis di ujung retakan

Solusi elastis linier teoretis menghasilkan tegangan yang sangat tinggi di sekitar ujung retakan ideal. Pada material nyata, zona deformasi plastis berkembang di sana _{. Mekanika fraktur elastis linier paling berguna ketika zona plastis cukup kecil relatif terhadap dimensi karakteristik sampel atau komponen. Jika deformasi plastis terlalu luas, parameter mekanika fraktur lainnya, seperti JIC} atau parameter berdasarkan bukaan ujung retakan (CTOD), mungkin lebih tepat.

KIC vs. JIC vs. CTOD

Pemilihan parameter yang tepat bergantung pada material, geometri, tingkat plastisitas, dan prosedur pengujian yang digunakan.

Bagaimana sampel disiapkan untuk pengujian KIC?

Spesimen yang disiapkan secara khusus yang mengandung takik dan retakan kelelahan sebenarnya digunakan untuk pengujian . Membuat takik mekanis yang tajam saja tidak cukup untuk secara akurat mewakili ujung retakan sebenarnya. Retakan kelelahan dimasukkan sebelum pengujian sebenarnya dengan pembebanan siklik terkontrol pada spesimen.

Contoh sampel tipikal untuk pengujian ketahanan terhadap retak.

Geometri yang paling umum digunakan meliputi:

• CT – Tegangan Kompak,
• SE(B) – Tekukan Tepi Tunggalyaitu, sampel dengan retakan satu sisi yang diberi beban pada pembengkokan.

Geometri sampel, metode pembentukan retakan kelelahan, dan prosedur pembebanan ditentukan secara ketat oleh metode pengujian yang sesuai.

Bagaimana tes KIC dilakukan?

Secara sederhana, penelitian ini meliputi:

1. persiapan sampel dengan geometri tertentu,
2. membuat torehan,
3. pengenalan retak kelelahan terkontrol,
4. pengukuran dimensi sampel dan panjang retakan,
5. pemuatan sampel yang terkontrol,
6. pencatatan gaya dan perpindahan yang sesuai,
7. menentukan nilai bersyarat,
8. Memeriksa kriteria validitas penelitian.

_Hanya hasil yang memenuhi kriteria yang dibutuhkan yang dapat diakui sebagai KIC.

KQ dan KIC

Selama pengujian, nilai kondisional, yang disebut K _Q , dapat ditentukan terlebih dahulu . Kemudian, kriteria validitas yang diperlukan, termasuk perilaku dan dimensi sampel, diperiksa. Jika semua persyaratan terpenuhi: K _Q = K _IC . Jika kriteria tidak terpenuhi, hasilnya tidak boleh dilaporkan sebagai K _IC.

Kondisi ukuran sampel

Prosedur mekanika retak elastis linier klasik menggunakan kriteria yang memastikan zona plastis yang cukup kecil relatif terhadap dimensi spesimen. Biasanya, dimensi spesimen karakteristik yang dibutuhkan harus cukup besar relatif terhadap (K _Q / R _p0,2 )² . Untuk pengujian tertentu, kriteria yang tepat yang ditentukan oleh standar yang sesuai harus digunakan, karena bergantung pada prosedur dan cara kekuatan luluh didefinisikan.

Mengapa pengujian material yang sangat ulet lebih sulit?

Pada material yang sangat ulet , zona deformasi plastis yang signifikan dapat berkembang sebelum perambatan retakan. Untuk mencapai kondisi yang diperlukan untuk penentuan _KIC yang benar , sampel yang sangat tebal mungkin diperlukan. Pada material seperti itu, metode mekanika fraktur elastis-plastis , seperti yang menggunakan integral J atau CTOD, seringkali lebih tepat.

KIC dan Rm dan Rp0,2

K _IC , Rm dan Rp0,2 menggambarkan aspek perilaku material yang sama sekali berbeda.

Material dengan kekuatan sangat tinggi mungkin memiliki ketangguhan retak yang relatif rendah. Meningkatkan kekuatan dengan mengubah struktur mikro tidak selalu menyebabkan peningkatan K _IC.

Kekuatan benturan KIC dan KV

KIC tidak sama dengan energi KV dari _uji Charpy . Uji Charpy melibatkan pemecahan spesimen berlekuk secara dinamis dengan pendulum, dan hasil energi yang diserap diberikan dalam satuan J. Uji _KIC menggunakan spesimen yang mengandung retakan kelelahan dan didasarkan pada prinsip-prinsip mekanika fraktur.

Tidak ada satu hubungan universal pun yang memungkinkan konversi langsung KV menjadi K _IC.

KIC dan kelelahan material

K _IC mendefinisikan kondisi kritis yang terkait dengan retakan tidak stabil, sedangkan dalam analisis perambatan retakan kelelahan, rentang faktor intensitas tegangan sangat penting: ΔK = K _max – K _min . Dalam rentang pertumbuhan retakan stabil tertentu, kecepatannya dapat dijelaskan oleh hukum Paris: da/dN = C(ΔK) ^m . Saat retakan tumbuh, K _max dapat meningkat. Mencapai kondisi kritis ketahanan retakan dapat menyebabkan kegagalan komponen secara cepat dan menyeluruh.

KIC dan kekerasan

Tidak ada rumus universal untuk menentukan KIC _dari kekerasan . Peningkatan kekerasan dan kekuatan suatu material mungkin terkait dengan perubahan ketangguhan retaknya, tetapi hubungan tersebut bergantung pada struktur mikro, komposisi kimia, perlakuan panas , dan mekanisme retak. Kekerasan tinggi tidak secara otomatis berarti ketangguhan retak yang tinggi.

Pengaruh mikrostruktur pada KIC

Ketahanan terhadap keretakan bergantung pada, antara lain:

• komposisi kimia,
• mikrostruktur,
• ukuran butir,
• jenis dan susunan fase,
• inklusi non-logam,
• sekresi,
• perlakuan panas,
• tingkat pengerasan material.

Perubahan yang meningkatkan Rm atau kekerasan dapat secara bersamaan mengurangi kemampuan material untuk mengalami deformasi plastis lokal di ujung retakan. Oleh karena itu, sifat-sifat ini harus dianalisis bersama-sama.

Pengaruh suhu terhadap ketahanan retak

Suhu dapat memberikan dampak signifikan pada mekanisme retak dan ketangguhan retak. Beberapa baja feritik dapat menunjukkan penurunan ketangguhan retak yang signifikan seiring penurunan suhu, beralih ke perilaku yang lebih rapuh. Oleh karena itu, dalam aplikasi suhu rendah, ketangguhan retak harus dinilai pada suhu yang sesuai dengan kondisi operasi aktual.

Pengaruh arah pengambilan sampel

Material dapat menunjukkan anisotropi setelah proses penggulungan, penempaan, atau proses teknologi lainnya. Ketahanan terhadap retak dapat bergantung pada:

• arah beban,
• arah perambatan retakan,
• orientasi relatif terhadap arah penggulungan atau penempaan.

Oleh karena itu, orientasi sampel harus diperhitungkan saat membandingkan hasil K _IC.

Dampak lingkungan

Ketahanan suatu struktur yang mengandung retakan dapat berubah akibat pengaruh lingkungan operasional. Hal-hal yang perlu diperhatikan antara lain:

• hidrogen,
• lingkungan korosif,
• retak korosi tegangan,
• suhu tinggi,
• paparan jangka panjang terhadap media yang agresif.

Dalam kondisi seperti itu, nilai K _IC yang ditentukan di lingkungan laboratorium standar saja mungkin tidak cukup untuk sepenuhnya menilai keamanan struktur tersebut.

Panjang retakan kritis

Hubungan K _I = Yσ√(πa) menunjukkan bahwa seiring pertumbuhan retakan, nilai K _I meningkat . Jika kita mengasumsikan kondisi kritis K _I = K _IC , dimensi retakan kritis dapat ditentukan untuk kasus yang didefinisikan dengan tepat: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Ini menggambarkan prinsip dasar mekanika fraktur: ukuran retakan yang diizinkan bergantung pada ketangguhan fraktur material dan tingkat tegangan serta geometri struktur. Pada struktur nyata, solusi geometris yang tepat, faktor keamanan, dan prosedur penilaian kerusakan yang tepat harus digunakan.

Mengapa retakan kecil mungkin aman tetapi retakan yang lebih besar tidak?

Pada tegangan konstan, nilai K meningkat sebanding dengan akar kuadrat dari ukuran retak karakteristik. Ini berarti bahwa retak yang awalnya tidak mencapai kondisi kritis dapat secara bertahap membesar karena kelelahan, korosi, atau proses lainnya. Setelah ukuran kritis tercapai, pertumbuhan retak yang tidak stabil dan kegagalan komponen yang cepat dapat terjadi. Inilah mengapa pengendalian retak menggunakan metode pengujian non-destruktif sangat penting dalam struktur kritis.

Penerapan KIC dalam praktik

Pengetahuan tentang ketahanan terhadap retak sangat penting ketika merancang dan menilai:

• bejana tekan,
• saluran pipa,
• struktur pesawat terbang,
• unsur-unsur energi,
• turbin,
• poros dan rotor,
• struktur las,
• elemen yang beroperasi pada suhu rendah,
• struktur di mana kemungkinan retak harus diperhitungkan dalam analisis keselamatan.

Mekanika fraktur memungkinkan sifat material , ukuran retakan, dan tingkat tegangan dihubungkan dalam satu analisis.

Standar untuk ketahanan terhadap retak

Pengujian ketahanan retak logam dijelaskan dalam standar khusus, termasuk ASTM E399 untuk ketahanan retak elastis linier material logam, dan dalam standar mekanika retak ISO yang relevan. Standar yang relevan menetapkan, antara lain:

• geometri sampel,
• pembentukan retakan kelelahan,
• metode pemuatan,
• pengukuran panjang retakan,
• menentukan nilai bersyarat K_Q,
• kriteria untuk mengenali hasil sebagai K_IC.

Oleh karena itu, ketika melaporkan nilai K _IC , perlu diketahui metode pengujian dan kondisi di mana hasil tersebut diperoleh.

Apakah nilai KIC yang lebih tinggi berarti material yang lebih baik?

Tidak dalam setiap aplikasi. _{Nilai KIC} yang lebih tinggi berarti ketahanan material yang lebih besar terhadap pertumbuhan retak yang tidak stabil dalam kondisi yang sesuai dengan definisi parameter ini. Namun, hal itu tidak secara otomatis berarti lebih besar:

• titik luluh,
• kekuatan tarik,
• kekerasan,
• ketahanan aus,
• ketahanan korosi,
• kekuatan lelah.

Pemilihan material memerlukan pertimbangan serangkaian sifat lengkap yang sesuai dengan kondisi operasi sebenarnya.

KIC – informasi terpenting

• K_IC adalah ketahanan retak untuk mode I dalam kondisi regangan bidang.
• Unit K_IC jest najczęściej MPa√m.
• K menggambarkan intensitas medan tegangan di dekat ujung retakan.
• Untuk kasus sederhana, K dapat ditulis dalam bentuk K_I = Yσ√(πa).
• Seiring dengan peningkatan tegangan atau panjang retakan, K meningkat._I.
• Tidak setiap K_c Apakah K_IC.
• Selama pengujian, nilai kondisional K dapat ditentukan terlebih dahulu._Q.
• Hanya dengan memenuhi kriteria validitas, K dapat diakui._Q garpu_IC.
• Sampel yang mengandung retakan kelelahan sebenarnya digunakan untuk pengujian.
• Ketebalan sampel sangat penting untuk mencapai kondisi regangan bidang.
• K_IC tidak sama dengan Rm, Rp0,2, kekerasan atau energi KV.
• Tidak ada konversi universal KV ke K._IC.
• Dalam kasus plastisasi yang signifikan, parameter mekanika retak elastis-plastik seperti J dapat digunakan._IC dan CTOD.
• K_IC Memungkinkan Anda untuk menghubungkan ketahanan retak suatu material dengan ukuran celah yang ada dan tingkat tegangan.

Sifat Mekanis - Daftar

• Kekuatan tarik Rm
• Kekuatan luluh Re, ReH dan ReL
• Kekuatan luluh konvensional Rp0,2
• Ekstensi A dan A5
• Penyempitan Z
• Modulus Young E
• Rasio Poisson ν
• Modulus Kirchhoff G
• Kekuatan impak KV dan KU – Uji Charpy
• Kekerasan Logam – HBW, HRC, HRB, HV dan Knoop
• Kekuatan lelah dan kelelahan material
• Ketahanan terhadap keretakan K_IC
• Kekuatan tekan
• Kekuatan lentur
• Kekuatan geser
• Perilaku rambatan material dan sifat mekanik pada suhu tinggi
• Uji tarik statis logam
• Kurva tegangan-regangan