KIC lūzuma izturība – sprieguma intensitātes koeficients un lūzuma mehānika

Lūzuma izturība (K _IC) ir viena no pamatīpašībām, ko izmanto lūzuma mehānikā. Tā nosaka kritisko sprieguma intensitātes koeficientu I tipa plaknes deformācijas plaisai , pie kura sākas nestabila plaisas augšana lineāri elastīgai lūzuma mehānikai raksturīgos apstākļos. K _IC ļauj novērtēt materiāla, kas satur plaisu, izturību pret nestabilu plaisas augšanu. Šis parametrs būtiski atšķiras no stiepes izturības (Rm) , tecēšanas robežas (Re vai Rp0,2) , triecienizturības (KV) un cietības.

Kāpēc nepieciešama lūzuma mehānika?

Klasiskie stiprības parametri, piemēram, Rm un Rp0,2, ir ļoti svarīgi konstrukciju projektēšanā, taču tie tieši neapraksta komponenta, kurā ir esoša plaisa, uzvedību. Reālos komponentos var rasties sekojošais:

• noguruma plaisas,
• metināšanas plaisas,
• materiālās nepārtrauktības,
• ražošanas defekti,
• darbības laikā radušās plaisas,
• korozijas bojājumi,
• asas pārtraukuma vietas, kas darbojas kā sprieguma koncentratori.

Plaisas gala tuvumā rodas ļoti augsta sprieguma koncentrācija. Lūzuma mehānika ļauj analizēt, vai plaisa paliks stabila vai sāks strauji augt, izraisot komponenta bojājumu.

Ko nozīmē simbols K?

Lineāri elastīgajā lūzuma mehānikā simbols K apzīmē sprieguma intensitātes koeficientu . Tas apraksta sprieguma lauka intensitāti plaisas gala tuvumā un ir atkarīgs, cita starpā, no:

• pielietotā sprieguma vērtība,
• plaisas garums,
• elementu ģeometrija,
• Plaisas atrašanās vieta un ģeometrija.

Daudzos vienkāršos gadījumos sakarību var attēlot vispārīgā formā: K _I = Yσ√(πa) , kur:

• K_I – sprieguma intensitātes koeficients I tipa slodzes režīmam,
• Y – bezdimensiju faktors atkarībā no elementa ģeometrijas un plaisas,
• σ – nominālais spriegums,
• a – raksturīgais plaisas izmērs.

Formula parāda, ka sprieguma intensitāte plaisas galā palielinās gan palielinoties spriegumam, gan palielinoties plaisas garumam.

Ko nozīmē KI un KIC?

Simbols K _I apzīmē sprieguma intensitātes koeficientu I režīmā , t. i., gadījumā, kad lūzuma virsmas ir izkliedētas spriegumu ietekmē, kas darbojas praktiski perpendikulāri lūzuma plaknei. K _{IC ir K I} kritiskā vērtība , kas atbilst plaknes deformācijas un testa derīguma prasībām. Vienkārši sakot:

• K_I < K_IC – pats nosacījums vēl neliecina, ka ir sasniegta kritiskā lūzuma izturības vērtība,
• K_I → K_IC – tiek sasniegts K atbilstošais kritiskais stāvoklis_IC apstākļos, kas atbilst tās definīcijai.

Tomēr tas nenozīmē, ka K _IC var piemērot, neņemot vērā ģeometriju, materiāla tipu un lineāri elastīgās lūzuma mehānikas derīguma diapazonu.

ZIK nodaļa

SI sistēmā plaisas izturību K _IC visbiežāk izsaka MPa√m . Vienību atvasina no sprieguma intensitātes koeficienta, kas ietver spriegumu un garuma kvadrātsakni. Piemērs apzīmējumam varētu būt: K _IC = 50 MPa√m . Vērtības, kas norādītas citās mērvienībās, nevajadzētu salīdzināt bez atbilstošas ​​konvertācijas.

Trīs galvenie plaisas ielādes veidi

Lūzuma mehānikā ir trīs galvenie plaisas slodzes veidi:

K _IC attiecas uz I režīmu , kam ir īpaša nozīme daudzos praktiskos strukturālo plaisāšanu gadījumos.

Ko nozīmē burts C vārdā KIC?

Burts C apzīmē kritisko vērtību . K vērtību, kas tiek sasniegta, kad notiek nestabila plaisas augšana, var uzskatīt par kritisko vērtību, bet tikai pēc atbilstošo testa apstākļu ievērošanas rezultātu var klasificēt kā K _IC.

Ko nozīmē Kc?

K _c ir sprieguma intensitātes koeficienta kritiskā vērtība, kas noteikta dotajos apstākļos. Tās vērtība var būt atkarīga, cita starpā, no parauga biezuma un sprieguma stāvokļa. Ne katrs K _c rezultāts ir K _IC . K _IC ir īpašs lūzuma izturības gadījums, ko nosaka, izpildot prasības, kas cita starpā nodrošina pietiekami augstu plastiskās deformācijas ierobežojuma līmeni plaisas galā.

Plaknes spriegums un plaknes deformācija

Komponentes biezumam ir būtiska ietekme uz apstākļiem plaisas gala tuvumā. Plānās detaļās plaknes sprieguma stāvoklis var būt nozīmīgāks, ar lielāku plastiskās deformācijas potenciālu. Pietiekami biezās deformācijās šķērsgriezuma vidū var veidoties gandrīz plaknes deformācijas stāvoklis . Tas rada lielāku ierobežojumu plastiskajai deformācijai. K _IC ir lūzuma izturība, kas noteikta plaknes deformācijas stāvoklim. Šī iemesla dēļ ir nepieciešama atbilstoša parauga ģeometrija un izmērs.

Kāpēc parauga biezums ir svarīgs?

Ja paraugs ir pārāk plāns, plaknes deformācijas apstākļi var netikt sasniegti. Šajā gadījumā iegūtā kritiskā vērtība var būt augstāka par faktisko KIC _vērtību , jo materiālam ir lielāks lokālas plastiskās deformācijas potenciāls. Tāpēc testa procedūrās cita starpā ir noteiktas prasības:

• parauga biezums,
• plaisas garums,
• atlikušā šķērsgriezuma izmēri,
• šo izmēru saistība ar materiāla īpašībām.

Plastmasas zona plaisas galā

Teorētiskais lineāri elastīgais risinājums rada ļoti lielus spriegumus ideālā plaisas gala tiešā tuvumā. Reālā materiālā tur attīstās plastiskās deformācijas zona _{. Lineāri elastīgā lūzuma mehānika ir visnoderīgākā, ja plastiskā zona ir pietiekami maza attiecībā pret parauga vai komponenta raksturīgajiem izmēriem. Ja plastiskā deformācija ir pārāk liela,} piemērotāki var būt citi lūzuma mehānikas parametri, piemēram, JIC vai parametri, kas balstīti uz plaisas gala atvērumu (CTOD).

ZIC pret JIC pret CTOD

Piemērotā parametra izvēle ir atkarīga no materiāla, ģeometrijas, plastiskuma līmeņa un izmantotās testa procedūras.

Kā paraugs tiek sagatavots KIC testēšanai?

Testēšanai tiek izmantoti speciāli sagatavoti paraugi ar iegriezumu un patiesu noguruma plaisu . Vienkārši izveidojot asu mehānisku iegriezumu, nepietiek, lai precīzi attēlotu patiesas plaisas galu. Noguruma plaisa tiek radīta pirms faktiskās pārbaudes, kontrolēti cikliski noslogojot paraugu.

Tipiski paraugi lūzuma izturības pārbaudei

Visbiežāk izmantotās ģeometrijas ietver:

• CT – kompakts spriegums,
• SE(B) – vienas malas līkums, t. i., paraugs ar vienpusēju plaisu, kas noslogota pie locīšana.

Parauga ģeometriju, noguruma plaisu veidošanās metodi un slodzes uzlikšanas procedūru stingri nosaka atbilstošā testa metode.

Kā tiek veikts KIC tests?

Vienkārši sakot, pētījums ietver:

1. parauga sagatavošana ar noteiktu ģeometriju,
2. izveidojot iecirtumu,
3. kontrolētas noguruma plaisāšanas ieviešana,
4. parauga izmēru un plaisas garuma mērīšana,
5. kontrolēta parauga ielāde,
6. spēka un atbilstošās nobīdes reģistrēšana,
7. nosacītās vērtības noteikšana,
8. pārbaudot pētījuma derīguma kritērijus.

_{Par ZIK} var atzīt tikai rezultātu, kas atbilst nepieciešamajiem kritērijiem.

KQ un ZIK

Testēšanas laikā vispirms var noteikt nosacītu vērtību, kas apzīmēta kā KQ _. Pēc tam tiek pārbaudīti nepieciešamie derīguma kritēriji, tostarp parauga uzvedība un dimensijas. Ja visas prasības ir izpildītas: _KQ = KIC _. Ja kritēriji nav izpildīti, rezultāts nav jāziņo kā _KIC.

Parauga lieluma nosacījums

Klasiskās lineāri elastīgās lūzuma mehānikas procedūras izmanto kritērijus, kas nodrošina atbilstoši mazu plastisko zonu attiecībā pret parauga izmēriem. Parasti nepieciešamajiem raksturīgajiem parauga izmēriem jābūt pietiekami lieliem attiecībā pret (K _Q / R _p0,2 )² . Konkrētam testam jāizmanto precīzi kritēriji, kas noteikti attiecīgajā standartā, jo tie ir atkarīgi no procedūras un veida, kā tiek definēta tecēšanas robeža.

Kāpēc ir grūtāk pārbaudīt ļoti elastīgus materiālus?

Ļoti elastīgos materiālos pirms plaisas izplatīšanās var veidoties ievērojama plastiskās deformācijas zona. Lai sasniegtu pareizai K _IC noteikšanai nepieciešamos apstākļus , var būt nepieciešami ļoti biezi paraugi. Šādos materiālos bieži vien piemērotākas ir elastīgi plastiskās lūzuma mehānikas metodes , piemēram, tās, kurās izmanto J-integrāli vai CTOD.

ZIK, Rm un Rp0,2

K _IC , Rm un Rp0,2 apraksta pilnīgi atšķirīgus materiāla uzvedības aspektus.

_{Ļoti augstas izturības materiālam var būt relatīvi zema plīsuma izturība. Izturības palielināšana, mainot mikrostruktūru, ne vienmēr noved pie KIC} palielināšanās.

KIC un KV triecienizturība

K _IC nav tas pats, kas KV enerģija no Šarpi testa . Šarpi tests ietver iegriezta parauga dinamisko salūšanu ar svārstu, un absorbētās enerģijas rezultāts ir norādīts džaulos. K _IC testā izmanto paraugu ar noguruma plaisu, un tas ir balstīts uz lūzuma mehānikas principiem.

Nav vienas universālas sakarības, kas ļautu tieši pārvērst KV par K _IC.

ZIK un materiālu nogurums

K _{IC definē kritisko stāvokli, kas saistīts ar nestabilu plaisāšanu, savukārt} noguruma plaisas izplatīšanās analīzē īpaši svarīgs ir sprieguma intensitātes koeficienta diapazons: ΔK = K _max – K _min . Noteiktā stabilas plaisas augšanas diapazonā tās ātrumu var aprakstīt ar Parīzes likumu: da/dN = C(ΔK) ^m . Plaisai augot, K _max var palielināties. Sasniedzot kritiskos plaisu izturības nosacījumus, var notikt komponenta galīga un ātra bojājums.

ZIK un cietība

Nav universālas formulas K _IC noteikšanai pēc cietības . Materiāla cietības un stiprības palielināšanās var būt saistīta ar tā lūzuma izturības izmaiņām, taču šī saistība ir atkarīga no mikrostruktūras, ķīmiskā sastāva, termiskās apstrādes un lūzuma mehānisma. Augsta cietība ne vienmēr nozīmē augstu lūzuma izturību.

Mikrostruktūras ietekme uz ZIK

Izturība pret plaisāšanu ir atkarīga, cita starpā, no:

• ķīmiskais sastāvs,
• mikrostruktūras,
• graudu izmērs,
• fāžu veids un izkārtojums,
• nemetāliski ieslēgumi,
• izdalījumi,
• termiskā apstrāde,
• materiāla sacietēšanas pakāpe.

Izmaiņas, kas palielina Rm vai cietību, var vienlaikus samazināt materiāla spēju lokāli plastiski deformēties plaisas galā. Tāpēc šīs īpašības jāanalizē kopā.

Temperatūras ietekme uz lūzuma izturību

Temperatūrai var būt būtiska ietekme uz lūzuma mehānismu un lūzuma izturību. Dažiem ferīta tēraudiem lūzuma izturība var ievērojami samazināties, pazeminoties temperatūrai, pārejot uz trauslāku uzvedību. Tāpēc zemas temperatūras pielietojumos lūzuma izturība jānovērtē temperatūrās, kas atbilst faktiskajiem ekspluatācijas apstākļiem.

Paraugu ņemšanas virziena ietekme

Materiāliem var būt anizotropija pēc velmēšanas, kalšanas vai citiem tehnoloģiskiem procesiem. Lūzuma izturība var būt atkarīga no:

• slodzes virziens,
• plaisas izplatīšanās virziens,
• orientācija attiecībā pret velmēšanas vai kalšanas virzienu.

_{Tāpēc, salīdzinot K IC} rezultātus , jāņem vērā parauga orientācija.

Šrodoviskas Vpļiva

Plaisu saturošas konstrukcijas pretestība var mainīties ekspluatācijas vides ietekmē. Īpaši svarīgi var būt:

• ūdeņradis,
• korozīvās vidēs,
• sprieguma korozijas plaisāšana,
• paaugstināta temperatūra,
• ilgstoša saskare ar agresīvu vidi.

Šādos apstākļos KIC _vien , kas noteikts standarta laboratorijas vidē, var nebūt pietiekams, lai pilnībā novērtētu konstrukcijas drošību.

Kritiskais plaisas garums

Attiecība K _I = Yσ√(πa) parāda, ka, plaisai palielinoties, K _I vērtība palielinās . Ja pieņemam kritisko nosacījumu K _I = K _IC , kritisko plaisas izmēru var noteikt atbilstoši definētam gadījumam: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Tas ilustrē lūzuma mehānikas pamatprincipu: pieļaujamais plaisas izmērs ir atkarīgs gan no materiāla lūzuma izturības, gan no konstrukcijas sprieguma līmeņa un ģeometrijas. Reālās konstrukcijās jāizmanto atbilstoši ģeometriskie risinājumi, drošības koeficienti un atbilstošas ​​bojājumu novērtēšanas procedūras.

Kāpēc maza plaisa varētu būt droša, bet lielāka ne?

Pastāvīgā spriegumā K vērtība palielinās proporcionāli raksturīgā plaisas izmēra kvadrātsaknei. Tas nozīmē, ka plaisa, kas sākotnēji nesasniedz kritisko stāvokli, noguruma, korozijas vai citu procesu dēļ var pakāpeniski palielināties. Kad kritiskais izmērs ir sasniegts, ir iespējama nestabila plaisas augšana un strauja komponentu bojāšanās. Tāpēc plaisu kontrole, izmantojot nesagraujošās testēšanas metodes, ir tik svarīga kritiskās konstrukcijās.

ZIK piemērošana praksē

Zināšanas par lūzuma izturību ir īpaši svarīgas, projektējot un novērtējot:

• spiedtvertnes,
• cauruļvadi,
• lidmašīnu konstrukcijas,
• enerģijas elementi,
• turbīnas,
• vārpstas un rotori,
• metinātas konstrukcijas,
• elementi, kas darbojas zemā temperatūrā,
• konstrukcijas, kurās drošības analīzē jāņem vērā plaisāšanas iespējamība.

Lūzumu mehānika ļauj vienā analīzē saistīt materiāla īpašības , plaisas izmēru un sprieguma līmeni .

Plaisu izturības standarti

Metālu lūzuma izturības pārbaude ir aprakstīta specializētos standartos, tostarp ASTM E399 attiecībā uz metālisku materiālu lineāri elastīgo lūzuma izturību, un attiecīgajos ISO lūzuma mehānikas standartos. Attiecīgajā standartā cita starpā ir norādīts:

• parauga ģeometrija,
• noguruma plaisu veidošanās,
• iekraušanas metode,
• plaisas garuma mērīšana,
• K nosacītās vērtības noteikšana_Q,
• kritēriji rezultāta atzīšanai par K_IC.

Ziņojot _KIC vērtības , ir jāzina testa metode un apstākļi, kādos rezultāts tika iegūts.

Vai augstāks ZIK nozīmē labāku materiālu?

Ne visos pielietojumos. Augstāks K _IC nozīmē materiāla lielāku izturību pret nestabilu plaisu augšanu apstākļos, kas atbilst šī parametra definīcijai. Tomēr tas automātiski nenozīmē lielāku:

• tecēšanas robeža,
• stiepes izturība,
• cietība,
• nodilumizturība,
• izturība pret koroziju,
• noguruma izturība.

Materiāla izvēlei ir jāņem vērā pilns īpašību kopums, kas atbilst faktiskajiem ekspluatācijas apstākļiem.

ZIK – vissvarīgākā informācija

• K_IC ir lūzuma izturība I režīmā plaknes deformācijas apstākļos.
• K vienība_IC joks najčęściej MPa√m.
• K apraksta sprieguma lauka intensitāti plaisas gala tuvumā.
• Vienkāršos gadījumos K var uzrakstīt formā K_I = Yσ√(πa).
• Palielinoties spriegumam vai plaisas garumam, K palielinās._I.
• Ne katrs K_c ir K_IC.
• Testa laikā vispirms var noteikt nosacīto vērtību K._Q.
• K tiek atzīts tikai tad, ja ir izpildīti derīguma kritēriji._Q K_IC.
• Testēšanai tiek izmantots paraugs, kurā ir faktiska noguruma plaisa.
• Parauga biezums ir ļoti svarīgs, lai panāktu plaknes deformācijas apstākļus.
• K_IC nav tas pats, kas Rm, Rp0,2, cietība vai KV enerģija.
• Nav universālas KV pārvēršanas K_IC.
• Ievērojamas plastifikācijas gadījumā var izmantot elastīgi plastiskās lūzuma mehānikas parametrus, piemēram, J_IC un CTOD.
• K_IC ļauj saistīt materiāla lūzuma izturību ar esošās spraugas lielumu un sprieguma līmeni.

Mehāniskās īpašības — saraksts

• Stiepes izturība Rm
• Tecēšanas robeža Re, ReH un ReL
• Parastā tecēšanas robeža Rp0,2
• Paplašinājums A un A5
• Z sašaurinājums
• Janga modulis E
• Puasona koeficients ν
• Kirhofa modulis G
• KV un KU triecienizturība – Šarpi tests
• Metāla cietība — HBW, HRC, HRB, HV un Knūpa ​​cietība
• Noguruma izturība un materiāla nogurums
• Izturība pret plaisāšanu K_IC
• Spiedes izturība
• Lieces izturība
• Bīdes izturība
• Materiālu šļūde un mehāniskās īpašības augstās temperatūrās
• Metālu statiskā stiepes pārbaude
• Sprieguma-deformācijas līkne