KIC lūžio stiprumas – įtempių intensyvumo koeficientas ir lūžio mechanika

Lūžio stipris (K _IC) yra viena iš pagrindinių lūžio mechanikoje naudojamų charakteristikų. Jis apibrėžia kritinį įtempio intensyvumo koeficientą I tipo plokštuminio deformacijos įtrūkio atveju , kai nestabilus įtrūkio augimas prasideda linijiškai elastingai lūžio mechanikai būdingomis sąlygomis. K _IC leidžia įvertinti įtrūkį turinčios medžiagos atsparumą nestabiliam įtrūkio augimui. Šis parametras iš esmės skiriasi nuo tempiamojo stiprio (Rm) , takumo ribos (Re arba Rp0,2) , smūgio stiprio (KV) ir kietumo.

Kodėl reikalinga lūžių mechanika?

Klasikiniai stiprumo parametrai, tokie kaip Rm ir Rp0,2, yra labai svarbūs konstrukcijų projektavime, tačiau jie tiesiogiai neapibūdina komponento, kuriame yra esamas įtrūkis, elgsenos. Realiuose komponentuose gali pasitaikyti:

• nuovargio įtrūkimai,
• suvirinimo įtrūkimai,
• medžiagų netolygumai,
• gamybos defektai,
• eksploatacijos metu susidarę įtrūkimai,
• korozijos pažeidimai,
• staigūs netolygumai, veikiantys kaip įtempių koncentratoriai.

Labai didelė įtempių koncentracija susidaro netoli įtrūkimo galo. Lūžio mechanika leidžia analizuoti, ar įtrūkis išliks stabilus, ar pradės sparčiai augti, sukeldamas komponento gedimą.

Ką reiškia simbolis K?

Tiesiškai elastingoje lūžio mechanikoje simbolis K žymi įtempio intensyvumo koeficientą . Jis apibūdina įtempio lauko intensyvumą šalia įtrūkio galo ir priklauso, be kita ko, nuo:

• taikomo įtempio vertė,
• įtrūkimo ilgis,
• elementų geometrija,
• įtrūkimo vieta ir geometrija.

Daugeliu paprastų atvejų sąryšį galima pateikti bendrąja forma: K _I = Yσ√(πa) , kur:

• K_I – įtempio intensyvumo koeficientas I tipo apkrovos režimui,
• Y – bematis koeficientas, priklausantis nuo elemento ir įtrūkio geometrijos,
• σ – nominalus įtempis,
• a – būdingas įtrūkio matmuo.

Formulė rodo, kad įtempio intensyvumas įtrūkio viršūnėje didėja tiek didėjant įtempiui, tiek didėjant įtrūkio ilgiui.

Ką reiškia KI ir KIC?

Simbolis K _I žymi įtempio intensyvumo koeficientą I režimui , t. y. atvejui, kai lūžio paviršiai yra išsklaidyti įtempių, veikiančių iš esmės statmenai lūžio plokštumai. K _IC yra kritinė K _I vertė , atitinkanti plokštumos deformacijos ir bandymo galiojimo reikalavimus. Paprastai tariant:

• K_I < tūkst._IC – pati sąlyga dar nerodo, kad pasiekta kritinė atsparumo lūžiui vertė,
• K_I → K_IC – pasiekiama K tinkama kritinė būsena_IC sąlygomis, atitinkančiomis jo apibrėžimą.

Tačiau tai nereiškia, kad K _IC galima taikyti neatsižvelgiant į geometriją, medžiagos tipą ir tiesiškai elastingos lūžio mechanikos galiojimo diapazoną.

ŽIB padalinys

SI sistemoje lūžio stiprumas K _IC dažniausiai išreiškiamas MPa√m . Šis vienetas gaunamas iš įtempio intensyvumo koeficiento, kuris apima įtempį ir ilgio kvadratinę šaknį. Pavyzdys galėtų būti toks: K _IC = 50 MPa√m . Vertės, pateiktos kitais vienetais, neturėtų būti lyginamos be tinkamo perskaičiavimo.

Trys pagrindiniai įtrūkimo įkėlimo būdai

Lūžių mechanikoje yra trys pagrindiniai įtrūkimo apkrovimo būdai:

K _IC reiškia I režimą , kuris yra ypač svarbus daugeliu praktinių konstrukcijų įtrūkimų atvejų.

Ką reiškia raidė C žodyje „KIC“?

Raidė C žymi kritinę vertę . K vertė, pasiekiama, kai įvyksta nestabilus įtrūkimo augimas, gali būti laikoma kritine verte, tačiau tik įvykdžius atitinkamas bandymo sąlygas, rezultatas gali būti klasifikuojamas kaip K _IC.

Ką reiškia Kc?

K _c yra įtempio intensyvumo koeficiento kritinė vertė, nustatyta esant tam tikroms sąlygoms. Jos vertė, be kita ko, gali priklausyti nuo mėginio storio ir įtempio būsenos. Ne kiekvienas K _c rezultatas yra K _IC . K _IC yra specialus lūžio atsparumo atvejis, nustatomas laikantis reikalavimų, kurie, be kita ko, užtikrina pakankamai aukštą plastinės deformacijos ribojimo lygį įtrūkio gale.

Plokštumos įtempis ir plokštumos deformacija

Komponento storis daro didelę įtaką sąlygoms šalia įtrūkio galo. Plonuose komponentuose plokštuminis įtempio būsena gali būti reikšmingesnė ir turėti didesnę plastinės deformacijos tikimybę. Pakankamai storuose komponentuose skerspjūvio viduryje gali susidaryti beveik plokštuminė deformacijos būsena . Tai labiau riboja plastinę deformaciją. K _IC yra lūžio stiprumas, nustatytas plokštuminei deformacijos būsenai. Dėl šios priežasties reikalinga tinkama bandinio geometrija ir dydis.

Kodėl svarbus mėginio storis?

Jei mėginys per plonas, plokštumos deformacijos sąlygos gali būti nepasiektos. Tokiu atveju gauta kritinė vertė gali būti didesnė už faktinę K _IC vertę , nes medžiaga turi didesnį vietinės plastinės deformacijos potencialą. Todėl bandymo procedūrose, be kita ko, nurodomi reikalavimai:

• mėginio storis,
• įtrūkimo ilgis,
• likusio skerspjūvio matmenys,
• šių matmenų ryšys su medžiagos savybėmis.

Plastinė zona įtrūkimo gale

Teorinis tiesiškai elastingas sprendinys lemia labai didelius įtempius tiesioginėje idealaus įtrūkio galo aplinkoje. Realioje medžiagoje ten išsivysto plastinės deformacijos zona _{. Tiesiškai elastinga lūžio mechanika yra naudingiausia, kai plastinė zona yra pakankamai maža, palyginti su būdingais bandinio ar komponento matmenimis. Jei plastinė deformacija yra per didelė,} gali būti tinkamesni kiti lūžio mechanikos parametrai, pvz., JIC arba parametrai, pagrįsti įtrūkio galo angos dydžiu (CTOD).

KIC, JIC ir CTOD

Tinkamo parametro pasirinkimas priklauso nuo medžiagos, geometrijos, plastiškumo lygio ir naudojamos bandymo procedūros.

Kaip mėginys paruošiamas KIC testavimui?

Bandymams naudojami specialiai paruošti bandiniai su įpjova ir tikru nuovargio įtrūkiu . Vien aštrios mechaninės įpjovos sukūrimo nepakanka, kad būtų tiksliai pavaizduotas tikrojo įtrūkio galas. Nuovargio įtrūkis sukuriamas prieš tikrąjį bandymą kontroliuojamu cikliniu bandinio apkrovimu.

Tipiniai mėginiai lūžio atsparumo bandymui

Dažniausiai naudojamos geometrijos apima:

• CT – kompaktiškas įtempimas,
• SE(B) – vienos briaunos lenkimas, t. y. mėginys su vienpusiu įtrūkimu, apkrautu ties lenkimas.

Mėginio geometrija, nuovargio įtrūkio susidarymo būdas ir apkrovimo procedūra yra griežtai apibrėžti atitinkamu bandymo metodu.

Kaip atliekamas KIC testas?

Paprastai tariant, tyrimas apima:

1. mėginio su tam tikra geometrija paruošimas,
2. padarydamas įpjovą,
3. kontroliuojamo nuovargio įtrūkimo įvedimas,
4. mėginio matmenų ir įtrūkio ilgio matavimas,
5. kontroliuojamas mėginio įkrovimas,
6. jėgos ir atitinkamo poslinkio registravimas,
7. sąlyginės vertės nustatymas,
8. tikrinant tyrimo validumo kriterijus.

Tik rezultatas, atitinkantis reikiamus kriterijus, gali būti pripažintas Žinių ir inovacijų _{bendruoju centru (KIC} ).

KQ ir KIC

Testavimo metu pirmiausia galima nustatyti sąlyginę vertę, žymimą KQ . Tada patikrinami reikiami galiojimo kriterijai, įskaitant imties elgseną ir matmenis. Jei tenkinami visi reikalavimai: _KQ = KIC _. Jei kriterijai netenkinami, rezultatas neturėtų būti pateikiamas _{kaip KIC}.

Imties dydžio sąlyga

Klasikinėse tiesiškai elastingos lūžio mechanikos procedūrose naudojami kriterijai, kurie užtikrina tinkamai mažą plastinę zoną bandinio matmenų atžvilgiu. Paprastai reikalaujami būdingi bandinio matmenys turi būti pakankamai dideli (K _Q / R _p0,2 )² atžvilgiu . Konkrečiam bandymui turėtų būti naudojami tikslūs atitinkamame standarte nurodyti kriterijai, nes jie priklauso nuo procedūros ir takumo ribos apibrėžimo būdo.

Kodėl sunkiau išbandyti labai kalimosi medžiagas?

Labai plastilios medžiagose prieš įtrūkimo plitimą gali išsivystyti reikšminga plastinės deformacijos zona. Norint pasiekti teisingo K _IC nustatymo sąlygas , gali prireikti labai storų mėginių. Tokiose medžiagose dažnai tinkamesni yra tampriosios-plastinės lūžio mechanikos metodai , pvz., tie, kurie naudoja J integralą arba CTOD.

KIC, Rm ir Rp0,2

K _IC , Rm ir Rp0,2 apibūdina visiškai skirtingus medžiagos elgsenos aspektus.

Labai didelio stiprumo medžiaga gali turėti santykinai mažą atsparumą lūžiui. Stiprumo didinimas keičiant mikrostruktūrą nebūtinai padidina K _IC.

KIC ir KV smūgio stipris

K _IC nėra tas pats, kas KV energija, gauta atliekant Šarpio bandymą . Šarpio bandymo metu įpjautas bandinys dinamiškai laužomas švytuokle, o sugertos energijos rezultatas pateikiamas džauliais. K _IC bandymui naudojamas bandinys su nuovargio įtrūkimu ir jis pagrįstas lūžio mechanikos principais.

Nėra vieno universalaus ryšio, leidžiančio tiesiogiai konvertuoti KV į K _IC.

ŽIB ir medžiagų nuovargis

K _IC apibrėžia kritinę būseną, susijusią su nestabiliu įtrūkimu, o analizuojant nuovargio įtrūkio plitimą, įtempių intensyvumo koeficiento diapazonas yra ypač svarbus: ΔK = K _max – K _min . Tam tikrame stabilaus įtrūkimo augimo diapazone jo greitį galima apibūdinti Paryžiaus dėsniu: da/dN = C(ΔK) ^m . Įtrūkiui augant, K _max gali didėti. Pasiekus kritines įtrūkimo atsparumo sąlygas, komponentas gali greitai ir galutinai sugesti.

ŽIB ir kietumas

Nėra universalios formulės K _IC nustatyti pagal kietumą . Medžiagos kietumo ir stiprumo padidėjimas gali būti susijęs su jos atsparumo lūžiui pokyčiais, tačiau šis ryšys priklauso nuo mikrostruktūros, cheminės sudėties, terminio apdorojimo ir lūžio mechanizmo. Didelis kietumas nebūtinai reiškia didelį atsparumą lūžiui.

Mikrostruktūros įtaka ŽIB

Atsparumas įtrūkimams, be kita ko, priklauso nuo:

• cheminė sudėtis,
• mikrostruktūros,
• grūdų dydis,
• fazių tipas ir išdėstymas,
• nemetaliniai intarpai,
• išskyros,
• terminis apdorojimas,
• medžiagos sukietėjimo laipsnis.

Pokyčiai, kurie padidina Rm arba kietumą, gali tuo pačiu metu sumažinti medžiagos gebėjimą atlikti vietinę plastinę deformaciją įtrūkimo viršūnėje. Todėl šias savybes reikėtų analizuoti kartu.

Temperatūros įtaka lūžio stiprumui

Temperatūra gali turėti didelės įtakos lūžio mechanizmui ir lūžio stiprumui. Kai kurių feritinių plienų lūžio stiprumas gali gerokai sumažėti mažėjant temperatūrai ir tapti trapesni. Todėl, taikant žemą temperatūrą, lūžio stiprumas turėtų būti vertinamas esant temperatūrai, atitinkančiai faktines eksploatavimo sąlygas.

Mėginių ėmimo krypties įtaka

Medžiagos gali turėti anizotropiją po valcavimo, kalimo ar kitų technologinių procesų. Atsparumas lūžiams gali priklausyti nuo:

• apkrovos kryptis,
• įtrūkimo plitimo kryptis,
• orientacija valcavimo arba kalimo krypties atžvilgiu.

_{Todėl lyginant K ir IC} rezultatus reikėtų atsižvelgti į mėginio orientaciją.

Šrodoviskos šiaurė

Konstrukcijos, kurioje yra įtrūkimas, atsparumas gali kisti veikiant eksploatavimo aplinkai. Ypač svarbu gali būti:

• vandenilis,
• korozinės aplinkos,
• įtempių korozijos įtrūkimai,
• pakilusi temperatūra,
• ilgalaikis sąlytis su agresyvia medija.

Tokiomis sąlygomis vien K _IC , nustatyto standartinėje laboratorinėje aplinkoje, gali nepakakti, kad būtų galima visapusiškai įvertinti konstrukcijos saugą.

Kritinis įtrūkio ilgis

Ryšys K _I = Yσ√(πa) rodo, kad įtrūkiui augant, K _I vertė didėja . Jei darysime prielaidą, kad kritinė sąlyga K _I = K _IC , kritinį įtrūkio matmenį galima nustatyti tinkamai apibrėžtu atveju: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Tai iliustruoja pagrindinį lūžio mechanikos principą: leistinas įtrūkio dydis priklauso tiek nuo medžiagos atsparumo lūžiui, tiek nuo konstrukcijos įtempių lygio ir geometrijos. Realiose konstrukcijose turi būti naudojami tinkami geometriniai sprendimai, saugos koeficientai ir atitinkamos žalos įvertinimo procedūros.

Kodėl mažas įtrūkimas gali būti saugus, o didesnis – ne?

Esant pastoviam įtempiui, K vertė didėja kartu su būdingo įtrūkio dydžio kvadratine šaknimi. Tai reiškia, kad įtrūkis, kuris iš pradžių nepasiekia kritinės būsenos, gali palaipsniui didėti dėl nuovargio, korozijos ar kitų procesų. Pasiekus kritinį dydį, galimas nestabilus įtrūkimo augimas ir greitas komponentų gedimas. Štai kodėl kritinėse konstrukcijose tokia svarbi įtrūkimų kontrolė neardomųjų bandymų metodais.

ŽIB taikymas praktikoje

Žinios apie atsparumą lūžiams yra ypač svarbios projektuojant ir vertinant:

• slėginiai indai,
• vamzdynai,
• orlaivių konstrukcijos,
• energijos elementai,
• turbinos,
• velenai ir rotoriai,
• suvirintos konstrukcijos,
• elementai, veikiantys žemoje temperatūroje,
• konstrukcijos, kuriose saugos analizėje reikia atsižvelgti į įtrūkimų galimybę.

Lūžių mechanika leidžia vienos analizės metu susieti medžiagų savybes , įtrūkio dydį ir įtempių lygį .

Atsparumo įtrūkimams standartai

Metalų atsparumo lūžiui bandymai aprašyti specializuotuose standartuose, įskaitant ASTM E399 , skirtą metalinių medžiagų linijiniam-tampriajam atsparumui lūžiui, ir atitinkamuose ISO lūžio mechanikos standartuose. Atitinkamame standarte, be kita ko, nurodoma:

• pavyzdžio geometrija,
• nuovargio įtrūkimų susidarymas,
• pakrovimo būdas,
• įtrūkimo ilgio matavimas,
• nustatant sąlyginę K vertę_Q,
• kriterijai rezultatui pripažinti kaip K_IC.

Pranešant K _IC vertes , būtina žinoti bandymo metodą ir sąlygas, kuriomis rezultatas buvo gautas.

Ar didesnis KIC reiškia geresnę medžiagą?

Ne kiekvienu atveju. Didesnis K _IC reiškia didesnį medžiagos atsparumą nestabiliam įtrūkimų augimui šio parametro apibrėžimą atitinkančiomis sąlygomis. Tačiau tai nebūtinai reiškia didesnį:

• takumo riba,
• tempiamasis stipris,
• kietumas,
• atsparumas dilimui,
• atsparumas korozijai,
• nuovargio stiprumas.

Renkantis medžiagą reikia atsižvelgti į visas savybes, atitinkančias realias eksploatavimo sąlygas.

ŽIB – svarbiausia informacija

• K_IC yra I režimo lūžio stiprumas plokštumos deformacijos sąlygomis.
• K blokas_IC juokauju, bet MPa√m.
• K apibūdina įtempio lauko intensyvumą šalia įtrūkimo galo.
• Paprastais atvejais K galima užrašyti forma K_I = Yσ√(πa).
• Didėjant įtempiui arba įtrūkimo ilgiui, K didėja._I.
• Ne kiekvienas K._c yra K_IC.
• Bandymo metu pirmiausia galima nustatyti sąlyginę vertę K_Q.
• K gali būti pripažintas tik įvykdžius galiojimo kriterijus._Q K._IC.
• Bandymui naudojamas mėginys, kuriame yra tikras nuovargio įtrūkis.
• Mėginio storis yra labai svarbus norint pasiekti plokštumos deformacijos sąlygas.
• K_IC nėra tas pats, kas Rm, Rp0,2, kietumas ar KV energija.
• Nėra universalaus KV konvertavimo į K_IC.
• Esant dideliam plastifikavimui, galima naudoti tampriai plastinės lūžio mechanikos parametrus, tokius kaip J_IC ir CTOD.
• K_IC leidžia susieti medžiagos atsparumą lūžiams su esamo tarpo dydžiu ir įtempio lygiu.

Mechaninės savybės – sąrašas

• Tempimo stipris Rm
• Takumo riba Re, ReH ir ReL
• Įprastinė takumo riba Rp0,2
• Pratęsimas A ir A5
• Z susiaurėjimas
• Youngo modulis E
• Puasono santykis ν
• Kirchhofo modulis G
• KV ir KU smūgio stiprumas – Šarpio bandymas
• Metalo kietumas – HBW, HRC, HRB, HV ir Knoop
• Nuovargio stiprumas ir medžiagos nuovargis
• Atsparumas įtrūkimams K_IC
• Gniuždymo jėga
• Lenkimo stipris
• Šlyties stipris
• Medžiagų slydimas ir mechaninės savybės aukštoje temperatūroje
• Metalų statinis tempimo bandymas
• Įtempio ir deformacijos kreivė