KIC-breuktaaiheid – spanningsintensiteitsfactor en breukmechanica

Breuktaaiheid (K _IC) is een van de fundamentele eigenschappen die in de breukmechanica worden gebruikt. Het definieert de kritische spanningsintensiteitsfactor voor een vlakke scheur van type I , waarbij onstabiele scheurgroei begint onder omstandigheden die typisch zijn voor lineair-elastische breukmechanica. K _IC maakt het mogelijk om de weerstand van een materiaal met een scheur tegen onstabiele scheurgroei te beoordelen. Deze parameter is fundamenteel anders dan treksterkte (Rm) , vloeigrens (Re of Rp0,2) , slagvastheid (KV) en hardheid.

Waarom is breukmechanica nodig?

Klassieke sterkteparameters zoals Rm en Rp0,2 zijn zeer belangrijk bij het ontwerpen van constructies, maar ze beschrijven niet direct het gedrag van een component met een bestaande scheur. In de praktijk kunnen de volgende situaties zich voordoen:

• vermoeidheidsscheuren,
• lasscheuren,
• materiële discontinuïteiten,
• fabricagefouten,
• scheuren die tijdens de werking zijn ontstaan,
• corrosieschade,
• scherpe discontinuïteiten die fungeren als spanningsconcentratoren.

Nabij de scheurpunt ontstaat een zeer hoge spanningsconcentratie. Breukmechanica stelt ons in staat te analyseren of de scheur stabiel blijft of snel begint te groeien, wat tot componentfalen kan leiden.

Wat betekent het symbool K?

In de lineair-elastische breukmechanica staat het symbool K voor de spanningsintensiteitsfactor . Deze beschrijft de intensiteit van het spanningsveld nabij de scheurtip en is onder andere afhankelijk van:

• waarde van de toegepaste spanning,
• scheurlengte,
• elementgeometrie,
• positie en geometrie van de scheur.

Voor veel eenvoudige gevallen kan de relatie in de algemene vorm worden weergegeven: K _I = Yσ√(πa) , waarbij:

• K_I – spanningsintensiteitsfactor voor belastingmodus type I,
• Y – dimensieloze factor afhankelijk van de geometrie van het element en de scheur,
• σ – nominale spanning,
• a – karakteristieke scheurafmeting.

De formule laat zien dat de spanningsintensiteit aan de scheurpunt toeneemt met zowel toenemende spanning als toenemende scheurlengte.

Wat betekenen KI en KIC?

Het symbool K _I staat voor de spanningsintensiteitsfactor voor modus I , oftewel het geval waarin de breukvlakken uit elkaar worden getrokken door spanningen die nagenoeg loodrecht op het breukvlak werken. K _IC is de kritische waarde van K _I die voldoet aan de eisen voor vlakke vervorming en de geldigheid van de test. Simpel gezegd:

• K_I < K_IC – de toestand zelf geeft nog niet aan dat een kritische waarde voor de breuktaaiheid is bereikt,
• K_I → K_IC – de kritische toestand die geschikt is voor K is bereikt_IC onder omstandigheden die overeenkomen met de definitie ervan.

Dit betekent echter niet dat K _IC kan worden toegepast zonder rekening te houden met de geometrie, het materiaalsoort en het geldigheidsbereik van lineair-elastische breukmechanica.

KIC-eenheid

In het SI-systeem wordt de breuktaaiheid K _IC meestal uitgedrukt in MPa√m . De eenheid is afgeleid van de spanningsintensiteitsfactor, die de spanning en de wortel van de lengte omvat. Een voorbeeldnotatie is: K _IC = 50 MPa√m . Waarden in andere eenheden mogen niet zonder de juiste omrekening worden vergeleken.

Drie basismanieren om een ​​scheur te belasten

In de breukmechanica zijn er drie basismanieren om een ​​scheur te belasten:

K _IC verwijst naar modus I , die in veel praktische gevallen van structurele scheurvorming van bijzonder belang is.

Wat betekent de letter C in KIC?

De letter C verwijst naar de kritische waarde . De K-waarde die wordt bereikt wanneer onstabiele scheurgroei optreedt, kan worden aangewezen als de kritische waarde, maar pas na het voldoen aan de juiste testomstandigheden mag het resultaat worden geclassificeerd als K _IC.

Wat betekent Kc?

Kc is de kritische waarde van de spanningsintensiteitsfactor, bepaald onder gegeven omstandigheden. De waarde ervan kan onder andere afhangen van de dikte van het monster en de spanningstoestand. _Niet elk Kc _- resultaat is gelijk aan _KIC . KIC is een speciaal geval van breuktaaiheid _, bepaald door te voldoen aan eisen die onder andere een voldoende hoge mate van plastische vervormingsbeperking aan de scheurpunt garanderen.

Vlakke spanning en vlakke vervorming

De dikte van een component heeft een aanzienlijke invloed op de omstandigheden nabij de scheurtip. In dunne componenten kan de vlakke spanningstoestand sterker aanwezig zijn, met een grotere kans op plastische vervorming. In voldoende dikke componenten kan zich in het midden van de dwarsdoorsnede een bijna vlakke rektoestand ontwikkelen . Dit beperkt de plastische vervorming aanzienlijk. KIC is de breuktaaiheid die bepaald wordt voor de vlakke rektoestand. Om deze reden zijn _een geschikte monstergeometrie en -afmetingen vereist.

Waarom is de dikte van het monster belangrijk?

Als het monster te dun is, worden mogelijk geen vlakke-rekcondities bereikt. In dat geval kan de resulterende kritische waarde hoger zijn dan de werkelijke K _IC- waarde , omdat het materiaal een grotere potentie heeft voor lokale plastische vervorming. Daarom specificeren testprocedures eisen voor onder andere:

• monsterdikte,
• scheurlengte,
• afmetingen van de resterende dwarsdoorsnede,
• de relatie tussen deze afmetingen en de eigenschappen van het materiaal.

Plastische zone bij de scheurtip

De theoretische lineair-elastische oplossing leidt tot zeer hoge spanningen in de directe omgeving van de ideale scheurtip. In een reëel materiaal ontwikkelt zich daar een zone van plastische vervorming _{. Lineair-elastische breukmechanica is het meest bruikbaar wanneer de plastische zone klein genoeg is ten opzichte van de karakteristieke afmetingen van het monster of onderdeel. Als de plastische vervorming te groot is, kunnen andere breukmechanische parameters, zoals JIC} of parameters gebaseerd op de scheurtipopening (CTOD), geschikter zijn.

KIC versus JIC versus CTOD

De keuze van de juiste parameter hangt af van het materiaal, de geometrie, de plasticiteitsgraad en de gebruikte testprocedure.

Hoe wordt een monster voorbereid voor KIC-testen?

Voor de tests worden speciaal geprepareerde proefstukken gebruikt die een inkeping en een echte vermoeiingsscheur bevatten . Het simpelweg aanbrengen van een scherpe mechanische inkeping is niet voldoende om de punt van een echte scheur nauwkeurig weer te geven. Een vermoeiingsscheur wordt vóór de eigenlijke test geïntroduceerd door het proefstuk gecontroleerd cyclisch te belasten.

Typische monsters voor breuktaaiheidstesten

De meest gebruikte geometrische vormen zijn onder andere:

• CT – Compacte spanning,
• SE(B) – Enkelzijdige buiging, oftewel een monster met een eenzijdige scheur, belast bij buigen.

De geometrie van het monster, de methode voor het ontstaan ​​van vermoeidheidsscheuren en de belastingprocedure worden strikt gedefinieerd door de betreffende testmethode.

Hoe wordt de KIC-test uitgevoerd?

Simpel gezegd omvat het onderzoek het volgende:

1. voorbereiding van een monster met een specifieke geometrie,
2. een inkeping maken,
3. introductie van gecontroleerde vermoeiingsscheurvorming,
4. meting van de afmetingen van het monster en de lengte van de scheur,
5. gecontroleerde belading van het monster,
6. registratie van kracht en bijbehorende verplaatsing,
7. het bepalen van de voorwaardelijke waarde,
8. De validiteitscriteria van het onderzoek controleren.

Alleen een resultaat dat aan de vereiste criteria voldoet, kan als K _IC worden erkend.

KQ en KIC

Tijdens de test kan eerst een voorwaardelijke waarde, aangeduid als K _Q , worden bepaald . Vervolgens worden de vereiste validiteitscriteria, waaronder het gedrag en de dimensies van de steekproef, gecontroleerd. Als aan alle eisen is voldaan: K _Q = K _IC . Als niet aan de criteria is voldaan, mag het resultaat niet als K _IC worden gerapporteerd.

Voorwaarde voor de steekproefomvang

Klassieke lineair-elastische breukmechanica-procedures gebruiken criteria die een voldoende kleine plastische zone garanderen ten opzichte van de afmetingen van het proefstuk. Doorgaans moeten de vereiste karakteristieke afmetingen van het proefstuk voldoende groot zijn ten opzichte van (K _Q / R _p0,2 )² . Voor een specifieke test moeten de exacte criteria uit de betreffende norm worden gebruikt, aangezien deze afhankelijk zijn van de procedure en de manier waarop de vloeigrens wordt gedefinieerd.

Waarom is het testen van zeer buigzame materialen moeilijker?

Bij zeer ductiele materialen kan een aanzienlijke plastische vervormingszone ontstaan ​​vóórdat scheuren zich voortplanten. Om de voorwaarden te bereiken die nodig zijn voor een correcte K _IC- bepaling , kunnen zeer dikke monsters nodig zijn. Bij dergelijke materialen zijn elastisch-plastische breukmechanica- methoden , zoals die met behulp van de J-integraal of CTOD, vaak geschikter.

KIC en Rm en Rp0,2

K _IC , Rm en Rp0,2 beschrijven compleet verschillende aspecten van materiaalgedrag.

Een materiaal met een zeer hoge sterkte kan een relatief lage breuktaaiheid hebben. Het verhogen van de sterkte door de microstructuur te veranderen leidt niet noodzakelijkerwijs tot een toename van K _IC.

KIC- en KV-slagsterkte

KIC is niet hetzelfde als de kV-energie uit de Charpy-test . Bij de Charpy-test wordt een gekerfd proefstuk dynamisch gebroken met een slinger, en de geabsorbeerde energie wordt uitgedrukt in joule (J). De KIC _{- test} maakt gebruik van een proefstuk met een vermoeiingsscheur en is gebaseerd op de principes van de breukmechanica.

_{Er bestaat geen enkele universele relatie die een directe omrekening van kV naar kIC} mogelijk maakt.

KIC en materiaalmoeheid

K _IC definieert de kritische toestand die geassocieerd wordt met onstabiele scheurvorming, terwijl bij de analyse van vermoeiingsscheurvoortplanting het bereik van de spanningsintensiteitsfactor van bijzonder belang is: ΔK = K _max – K _min . Binnen een specifiek bereik van stabiele scheurgroei kan de snelheid ervan worden beschreven door de wet van Paris: da/dN = C(ΔK) ^m . Naarmate de scheur groeit, kan K _max toenemen. Het bereiken van kritische omstandigheden van scheurweerstand kan leiden tot een snelle, uiteindelijke breuk van het onderdeel.

KIC en hardheid

Er bestaat geen universele formule om KIC te bepalen _op basis van de hardheid . Een toename in de hardheid en sterkte van een materiaal kan gepaard gaan met veranderingen in de breuktaaiheid, maar de relatie hangt af van de microstructuur, chemische samenstelling, warmtebehandeling en het breukmechanisme. Een hoge hardheid betekent niet automatisch een hoge breuktaaiheid.

De invloed van microstructuur op KIC

De weerstand tegen scheuren hangt onder andere af van:

• chemische samenstelling,
• microstructuren,
• korrelgrootte,
• type en indeling van fasen,
• niet-metallische insluitingen,
• afscheidingen,
• warmtebehandeling,
• mate van materiaalverharding.

Veranderingen die de Rm-waarde of de hardheid verhogen, kunnen tegelijkertijd het vermogen van het materiaal om lokale plastische vervorming aan de scheurpunt te ondergaan, verminderen. Daarom moeten deze eigenschappen gezamenlijk worden geanalyseerd.

Het effect van temperatuur op de breuktaaiheid

Temperatuur kan een aanzienlijke invloed hebben op het breukmechanisme en de breuktaaiheid. Sommige ferritische staalsoorten kunnen een aanzienlijke afname van de breuktaaiheid vertonen bij dalende temperatuur, waarbij ze brozer gedrag vertonen. Daarom moet de breuktaaiheid bij toepassingen met lage temperaturen worden beoordeeld bij temperaturen die overeenkomen met de werkelijke bedrijfsomstandigheden.

Invloed van de bemonsteringsrichting

Materialen kunnen anisotropie vertonen na walsen, smeden of andere technologische processen. De breuktaaiheid kan afhangen van:

• laadrichting,
• richting van scheurvoortplanting,
• oriëntatie ten opzichte van de wals- of smeedrichting.

_{Bij het vergelijken van K IC-} resultaten moet daarom rekening worden gehouden met de oriëntatie van het monster.

Invloed van het milieu

De weerstand van een constructie met een scheur kan veranderen onder invloed van de gebruiksomgeving. Van bijzonder belang kunnen zijn:

• waterstof,
• corrosieve omgevingen,
• spanningscorrosiescheuren,
• verhoogde temperatuur,
• langdurige blootstelling aan agressieve media.

Onder dergelijke omstandigheden is de K _IC- waarde , bepaald in een standaard laboratoriumomgeving, mogelijk niet voldoende om de veiligheid van het ontwerp volledig te beoordelen.

Kritische scheurlengte

De relatie K _I = Yσ√(πa) laat zien dat de waarde van K _I toeneemt naarmate de scheur groeit . Als we de kritische voorwaarde K _I = K _IC aannemen , kan de kritische scheurafmeting voor een geschikt gedefinieerd geval worden bepaald: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Dit illustreert een fundamenteel principe van de breukmechanica: de toelaatbare scheurgrootte hangt af van zowel de breuktaaiheid van het materiaal als het spanningsniveau en de geometrie van de constructie. In reële constructies moeten geschikte geometrische oplossingen, veiligheidsfactoren en passende schadebeoordelingsprocedures worden gebruikt.

Waarom zou een kleine scheur wel veilig zijn, maar een grotere niet?

Bij constante spanning neemt de K-waarde toe met de wortel van de karakteristieke scheurgrootte. Dit betekent dat een scheur die aanvankelijk geen kritische toestand bereikt, geleidelijk kan groeien als gevolg van vermoeiing, corrosie of andere processen. Zodra een kritische grootte is bereikt, zijn onstabiele scheurgroei en snelle componentfalen mogelijk. Daarom is scheurbeheersing met behulp van niet-destructieve testmethoden zo belangrijk in kritische constructies.

KIC in de praktijk toepassen

Kennis van breuktaaiheid is met name belangrijk bij het ontwerpen en beoordelen van:

• drukvaten,
• pijpleidingen,
• vliegtuigstructuren,
• energie-elementen,
• turbines,
• assen en rotoren,
• gelaste constructies,
• elementen die werken bij lage temperaturen,
• constructies waarbij de mogelijkheid van scheurvorming in de veiligheidsanalyse moet worden meegenomen.

Breukmechanica maakt het mogelijk om materiaaleigenschappen , scheurgrootte en spanningsniveau in één enkele analyse met elkaar in verband te brengen.

Normen voor scheurweerstand

Het testen van de breuktaaiheid van metalen wordt beschreven in gespecialiseerde normen, waaronder ASTM E399 voor lineair-elastische breuktaaiheid van metalen materialen, en in de relevante ISO-normen voor breukmechanica. De betreffende norm specificeert onder andere:

• monstergeometrie,
• vorming van vermoeidheidsscheuren,
• methode van laden,
• meting van de scheurlengte,
• het bepalen van de voorwaardelijke waarde van K_Q,
• criteria voor het herkennen van het resultaat als K_IC.

Bij het rapporteren van K _IC- waarden is het daarom noodzakelijk om de testmethode en de omstandigheden waaronder het resultaat is verkregen te kennen.

Betekent een hogere KIC-waarde dat het materiaal beter is?

Niet in elke toepassing. Een hogere K _IC-waarde betekent dat een materiaal een grotere weerstand biedt tegen onstabiele scheurgroei onder omstandigheden die overeenkomen met de definitie van deze parameter. Dit betekent echter niet automatisch dat het materiaal ook beter presteert.

• vloeipunt,
• treksterkte,
• hardheid,
• slijtvastheid,
• corrosiebestendigheid,
• vermoeidheid sterkte.

Bij de materiaalkeuze moet rekening worden gehouden met een volledige reeks eigenschappen die overeenkomen met de feitelijke bedrijfsomstandigheden.

KIC – de belangrijkste informatie

• K_IC is de breuktaaiheid voor modus I onder vlakke rekcondities.
• Eenheid K_IC jest najczęściej MPa√m.
• K beschrijft de intensiteit van het spanningsveld nabij de scheurtip.
• Voor eenvoudige gevallen kan K worden geschreven in de vorm K_I = Yσ√(πa).
• Naarmate de spanning of de scheurlengte toeneemt, neemt K toe._I.
• Niet elke K_c is K_IC.
• Tijdens de test kan eerst de voorwaardelijke waarde K worden bepaald._Q.
• Alleen als aan de geldigheidscriteria wordt voldaan, kan K worden erkend._Q vork_IC.
• Voor de test wordt een monster gebruikt dat een daadwerkelijke vermoeiingsscheur bevat.
• De dikte van het monster is cruciaal voor het bereiken van vlakke spanningsomstandigheden.
• K_IC is niet hetzelfde als Rm, Rp0,2, hardheid of KV-energie.
• Er bestaat geen universele omrekening van kV naar kV._IC.
• In geval van aanzienlijke vervorming kunnen elastisch-plastische breukmechanica-parameters zoals J worden gebruikt._IC en CTOD.
• K_IC Hiermee kun je de breukweerstand van een materiaal relateren aan de grootte van de bestaande opening en het spanningsniveau.

Mechanische eigenschappen - Lijst

• Treksterkte Rm
• Vloeigrens Re, ReH en ReL
• Conventionele vloeigrens Rp0,2
• Uitbreiding A en A5
• Z-vernauwing
• Youngs modulus E
• Poisson-verhouding ν
• Kirchhoffs modulus G
• KV- en KU-slagsterkte – Charpy-test
• Metaalhardheid – HBW, HRC, HRB, HV en Knoop
• Vermoeiingssterkte en materiaalvermoeidheid
• Weerstand tegen scheuren K_IC
• Druksterkte
• Buigsterkte
• Schuifsterkte
• Kruip van materialen en mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen
• Statische trekproef van metalen
• Spannings-rekcurve