KIC-bruddseighet – spenningsintensitetsfaktor og bruddmekanikk

Bruddseighet (KIC ₎ er en av de grunnleggende egenskapene som brukes i bruddmekanikk. Den definerer den kritiske spenningsintensitetsfaktoren for en plan tøyningssprekk _av type I , der ustabil sprekkvekst starter under forhold som er typiske for lineær-elastisk bruddmekanikk. KIC muliggjør vurdering av motstanden til et materiale som inneholder en sprekk mot ustabil sprekkvekst. Denne parameteren er fundamentalt forskjellig fra strekkfasthet (Rm) , flytegrense (Re eller Rp0,2) , slagfasthet (KV) og hardhet.

Hvorfor er bruddmekanikk nødvendig?

Klassiske styrkeparametere som Rm og Rp0,2 er svært viktige i konstruksjonsdesign, men de beskriver ikke direkte oppførselen til en komponent som inneholder en eksisterende sprekk. I virkelige komponenter kan følgende forekomme:

• utmattingssprekker,
• sveisesprekker,
• materielle diskontinuiteter,
• produksjonsfeil,
• sprekker som dannes under drift,
• korrosjonsskader,
• skarpe diskontinuiteter som fungerer som stresskonsentratorer.

En svært høy spenningskonsentrasjon oppstår nær sprekkspissen. Bruddmekanikk lar oss analysere om sprekken vil forbli stabil eller begynne å vokse raskt, noe som fører til komponentsvikt.

Hva betyr symbolet K?

I lineær-elastisk bruddmekanikk betegner symbolet K spenningsintensitetsfaktoren . Den beskriver intensiteten til spenningsfeltet nær sprekkspissen og avhenger blant annet av:

• verdien av påført stress,
• sprekklengde,
• elementgeometri,
• posisjon og geometri av sprekken.

For mange enkle tilfeller kan forholdet presenteres på den generelle formen: K _I = Yσ√(πa) , hvor:

• K_I – spenningsintensitetsfaktor for lastemodus type I,
• Y – dimensjonsløs faktor avhengig av elementets geometri og sprekken,
• σ – nominell spenning,
• a – karakteristisk sprekkdimensjon.

Formelen viser at spenningsintensiteten ved sprekkspissen øker både med økende spenning og med økende sprekklengde.

Hva betyr KI og KIC?

Symbolet K _I betegner spenningsintensitetsfaktoren for modus I , dvs. tilfellet der bruddflatene spres fra hverandre av spenninger som virker vesentlig vinkelrett på bruddplanet. K _{I C} er den kritiske verdien av K _I som tilfredsstiller kravene til plan tøyning og testvaliditet. Enkelt sagt:

• K_I < K_IC – selve tilstanden indikerer ennå ikke at en kritisk verdi for bruddseighet er oppnådd,
• K_I → K_IC – den kritiske tilstanden som er passende for K er nådd_IC under forhold som tilsvarer definisjonen.

Dette betyr imidlertid ikke at K _IC kan anvendes uten å ta hensyn til geometrien, materialtypen og gyldighetsområdet til lineær-elastisk bruddmekanikk.

KIC-enhet

I SI-systemet uttrykkes bruddseighet KIC _oftest i MPa√m . Enheten er avledet fra spenningsintensitetsfaktoren, som inkluderer spenning og kvadratroten av lengden. Et eksempel på notasjon kan være: KIC = 50 MPa√m . Verdier gitt i andre _enheter bør ikke sammenlignes uten riktig konvertering.

Tre grunnleggende måter å laste inn en sprekk på

I bruddmekanikk finnes det tre grunnleggende måter å belaste en sprekk på:

K _IC refererer til modus I , som er av spesiell betydning i mange praktiske tilfeller av strukturelle sprekker.

Hva betyr bokstaven C i KIC?

Bokstaven C refererer til den kritiske verdien . K-verdien som nås når ustabil sprekkvekst oppstår, kan betegnes som den kritiske verdien, men først etter at de aktuelle testbetingelsene er oppfylt, kan resultatet klassifiseres _som KIC.

Hva betyr Kc?

K _c er den kritiske verdien av spenningsintensitetsfaktoren bestemt under gitte forhold. Verdien kan avhenge av blant annet prøvetykkelse og spenningstilstand. Ikke alle K _c- resultater er K _IC . K _IC er et spesialtilfelle av bruddseighet bestemt ved å oppfylle krav som blant annet sikrer et tilstrekkelig høyt nivå av plastisk tøyningsbegrensning ved sprekkspissen.

Planspenning og plantøyning

Tykkelsen på en komponent har en betydelig innvirkning på forholdene nær sprekkspissen. I tynne komponenter kan den plane spenningstilstanden være mer betydelig, med større potensial for plastisk deformasjon. I tilstrekkelig tykke komponenter kan en nesten plan tøyningstilstand utvikle seg midt i tverrsnittet . Dette forårsaker større begrensning av plastisk deformasjon. KIC _er bruddseigheten bestemt for den plane tøyningstilstanden. Av denne grunn kreves passende prøvegeometri og -størrelse.

Hvorfor er prøvetykkelse viktig?

Hvis prøven er for tynn, kan det hende at plane tøyningsforhold ikke oppnås. I dette tilfellet kan den resulterende kritiske verdien være høyere enn den faktiske KIC _- verdien fordi materialet har et større potensial for lokal plastisk deformasjon. Derfor spesifiserer testprosedyrer krav til blant annet:

• prøvetykkelse,
• sprekklengde,
• dimensjonene til det gjenværende tverrsnittet,
• forholdet mellom disse dimensjonene og materialets egenskaper.

Plastsone ved sprekkspissen

Den teoretiske lineær-elastiske løsningen fører til svært høye spenninger i umiddelbar nærhet av den ideelle sprekkspissen. I et reelt materiale utvikles det en plastisk deformasjonssone der _{. Lineær-elastisk bruddmekanikk er mest nyttig når den plastiske sonen er liten nok i forhold til de karakteristiske dimensjonene til prøven eller komponenten. Hvis den plastiske deformasjonen er for omfattende, kan andre bruddmekaniske parametere, som JIC} eller parametere basert på sprekkspissåpningen (CTOD), være mer passende.

KIC vs. JIC vs. CTOD

Valget av riktig parameter avhenger av materiale, geometri, plastisitetsnivå og testprosedyre som brukes.

Hvordan klargjøres en prøve for KIC-testing?

Spesialpreparerte prøver som inneholder et hakk og en ekte utmattingssprekk brukes til testing . Det er ikke tilstrekkelig å bare lage et skarpt mekanisk hakk for å representere spissen av en ekte sprekk nøyaktig. En utmattingssprekk introduseres før den faktiske testen ved kontrollert syklisk belastning av prøven.

Typiske prøver for bruddseighetstesting

De mest brukte geometriene inkluderer:

• CT – Kompakt spenning,
• SE(B) – Enkeltkantbøyning, dvs. en prøve med en ensidig sprekk lastet ved bøying.

Prøvens geometri, metoden for dannelse av utmattingssprekker og belastningsprosedyren er strengt definert av den aktuelle testmetoden.

Hvordan utføres KIC-testen?

Enkelt sagt inkluderer studien:

1. utarbeidelse av en prøve med en spesifikk geometri,
2. lage et hakk,
3. innføring av kontrollert utmattingssprekkdannelse,
4. måling av prøvedimensjoner og sprekklengde,
5. kontrollert lasting av prøven,
6. registrering av kraft og tilsvarende forskyvning,
7. bestemme den betingede verdien,
8. kontroll av studiens validitetskriterier.

Bare et resultat som oppfyller de nødvendige kriteriene kan gjenkjennes som KIC_.

KQ og KIC

_{Under testingen kan en betinget verdi ,} betegnet som KQ _, først bestemmes . Deretter kontrolleres de nødvendige gyldighetskriteriene, inkludert prøvens oppførsel og dimensjoner. Hvis alle krav er oppfylt: KQ = _KIC . Hvis kriteriene ikke er oppfylt, skal ikke resultatet rapporteres som _KIC.

Betingelse for utvalgsstørrelse

Klassiske lineær-elastiske bruddmekaniske prosedyrer bruker kriterier som sikrer en passende liten plastisk sone i forhold til prøvens dimensjoner. Vanligvis må de nødvendige karakteristiske prøvens dimensjoner være tilstrekkelig store i forhold til (KQ _/ R _p0,2 )² . For en spesifikk test bør de nøyaktige kriteriene spesifisert av den aktuelle standarden brukes, da de avhenger av prosedyren og måten flytegrensen er definert på.

Hvorfor er det vanskeligere å teste svært duktile materialer?

I svært duktile materialer kan det utvikles en betydelig plastisk deformasjonssone før sprekkforplantning. For å oppnå betingelsene som kreves for en korrekt KIC _- bestemmelse , kan svært tykke prøver være nødvendige. I slike materialer er elastisk-plastiske bruddmekaniske metoder , som de som bruker J-integralen eller CTOD, ofte mer passende.

KIC og Rm og Rp0,2

KIC , _Rm og Rp0,2 beskriver helt forskjellige aspekter ved materialoppførsel.

Et materiale med svært høy styrke kan ha relativt lav bruddstyrke. Å øke styrken ved å endre mikrostrukturen fører ikke nødvendigvis til en økning i _KIC.

KIC- og KV-slagstyrke

KIC er ikke det samme som KV-energien fra Charpy-testen . Charpy-testen innebærer dynamisk å bryte en prøve med hakk med en pendel, og resultatet av den absorberte energien er gitt i J. KIC _{- testen} bruker en prøve som inneholder en utmattingssprekk og er basert på prinsippene for bruddmekanikk.

Det finnes ingen enkelt universell sammenheng som tillater direkte konvertering av KV til _KIC.

KIC og materialtretthet

K _IC definerer den kritiske tilstanden assosiert med ustabil sprekkdannelse, mens spenningsintensitetsfaktorområdet er av spesiell betydning i analysen av utmattingssprekkforplantning : ΔK = K _max – K _min . Innenfor et spesifikt område med stabil sprekkvekst kan hastigheten beskrives av Paris' lov: da/dN = C(ΔK) ^m . Etter hvert som sprekken vokser, kan K _max øke. Å nå kritiske forhold for sprekkmotstand kan føre til endelig, rask svikt i komponenten.

KIC og hardhet

Det finnes ingen universell formel for å bestemme KIC _ut fra hardhet . Økninger i et materiales hardhet og styrke kan være forbundet med endringer i dets bruddseighet, men forholdet avhenger av mikrostruktur, kjemisk sammensetning, varmebehandling og bruddmekanisme. Høy hardhet innebærer ikke automatisk høy bruddseighet.

Innflytelse av mikrostruktur på KIC

Motstand mot sprekkdannelser avhenger blant annet av:

• kjemisk sammensetning,
• mikrostrukturer,
• kornstørrelse,
• type og arrangement av faser,
• ikke-metalliske inneslutninger,
• sekreter,
• varmebehandling,
• grad av herding av materialet.

Endringer som øker Rm eller hardhet kan samtidig redusere materialets evne til å gjennomgå lokal plastisk deformasjon ved sprekkspissen. Derfor bør disse egenskapene analyseres sammen.

Effekten av temperatur på bruddseighet

Temperatur kan ha en betydelig innvirkning på bruddmekanismen og bruddseigheten. Noen ferritiske ståltyper kan vise en betydelig reduksjon i bruddseighet med synkende temperatur, og gå over til en mer sprø oppførsel. Derfor bør bruddseigheten i lavtemperaturapplikasjoner vurderes ved temperaturer som tilsvarer faktiske driftsforhold.

Innflytelse av samplingsretningen

Materialer kan vise anisotropi etter valsing, smiing eller andre teknologiske prosesser. Bruddseighet kan avhenge av:

• lastretning,
• retning av sprekkforplantning,
• orientering i forhold til valse- eller smiretningen.

Derfor bør prøveorienteringen tas i betraktning når man sammenligner K _IC- resultater.

Miljøpåvirkning

Motstanden til en konstruksjon som inneholder en sprekk kan endre seg under påvirkning av driftsmiljøet. Av spesiell betydning kan være:

• hydrogen,
• korrosive miljøer,
• spenningskorrosjonssprekker,
• forhøyet temperatur,
• langvarig eksponering for aggressive medier.

Under slike forhold er kanskje ikke K _IC alene bestemt i et standard laboratoriemiljø tilstrekkelig til å fullt ut vurdere designets sikkerhet.

Kritisk sprekklengde

Forholdet K _I = Yσ√(πa) viser at verdien av K _I øker etter hvert som sprekken vokser . Hvis vi antar den kritiske tilstanden K _I = K _IC , kan den kritiske sprekkdimensjonen bestemmes for et passende definert tilfelle: a _c = (1/π) × (K _IC / (Yσ))² . Dette illustrerer et grunnleggende prinsipp i bruddmekanikk: den tillatte sprekkstørrelsen avhenger av både materialets bruddseighet og spenningsnivået og geometrien til konstruksjonen. I virkelige konstruksjoner må passende geometriske løsninger, sikkerhetsfaktorer og passende skadevurderingsprosedyrer brukes.

Hvorfor kan en liten sprekk være trygg, men en større ikke?

Ved konstant spenning øker K-verdien med kvadratroten av den karakteristiske sprekkstørrelsen. Dette betyr at en sprekk som i utgangspunktet ikke når en kritisk tilstand, gradvis kan vokse på grunn av utmatting, korrosjon eller andre prosesser. Når en kritisk størrelse er nådd, er ustabil sprekkvekst og rask komponentfeil mulig. Derfor er sprekkkontroll ved hjelp av ikke-destruktive testmetoder så viktig i kritiske konstruksjoner.

Anvendelse av KIC i praksis

Kunnskap om bruddseighet er spesielt viktig ved design og vurdering av:

• trykkbeholdere,
• rørledninger,
• flystrukturer,
• energielementer,
• turbiner,
• aksler og rotorer,
• sveisede konstruksjoner,
• elementer som opererer ved lave temperaturer,
• konstruksjoner der muligheten for sprekkdannelser må tas i betraktning i sikkerhetsanalysen.

Bruddmekanikk gjør det mulig å relatere materialegenskaper , sprekkstørrelse og spenningsnivå i én enkelt analyse.

Standarder for sprekkmotstand

Bruddseighetstesting av metaller er beskrevet i spesialiserte standarder, inkludert ASTM E399 for lineær-elastisk bruddseighet i metalliske materialer, og i relevante ISO-standarder for bruddmekanikk. Den relevante standarden spesifiserer blant annet:

• eksempelgeometri,
• dannelse av utmattingssprekker,
• metode for lasteing,
• måling av sprekklengde,
• bestemme den betingede verdien av K_Q,
• kriterier for å gjenkjenne resultatet som K_IC.

Når man rapporterer _KIC- verdier , er det derfor nødvendig å kjenne til testmetoden og forholdene som resultatet ble oppnådd under.

Betyr en høyere KIC et bedre materiale?

Ikke i alle bruksområder. En høyere K _IC betyr et materiales større motstand mot ustabil sprekkvekst under forhold som tilsvarer definisjonen av denne parameteren. Det betyr imidlertid ikke automatisk større:

• flytegrense,
• strekkfasthet,
• hardhet,
• slitestyrke,
• korrosjonsbestandighet,
• utmattingsstyrke.

Materialvalg krever at man tar hensyn til et komplett sett med egenskaper som tilsvarer faktiske driftsforhold.

KIC – den viktigste informasjonen

• K_IC er bruddseigheten for modus I under plane tøyningsforhold.
• Enhet K_IC bare mest MPa√m.
• K beskriver intensiteten til spenningsfeltet nær sprekkspissen.
• For enkle tilfeller kan K skrives på formen K_I = Yσ√(πa).
• Etter hvert som spenningen eller sprekklengden øker, øker K_I.
• Ikke alle K_c er K_IC.
• Under testen kan den betingede verdien K bestemmes først_Q.
• Bare oppfyllelse av gyldighetskriteriene tillater at K blir gjenkjent_Q for K_IC.
• En prøve som inneholder en faktisk utmattingssprekk brukes til testing.
• Prøvens tykkelse er avgjørende for å oppnå plane tøyningsforhold.
• K_IC er ikke det samme som Rm, Rp0,2, hardhet eller KV-energi.
• Det finnes ingen universell konvertering av KV til K_IC.
• Ved betydelig plastisering kan elastisk-plastiske bruddmekaniske parametere som J brukes_IC og CTOD.
• K_IC lar deg relatere bruddmotstanden til et materiale til størrelsen på det eksisterende gapet og spenningsnivået.

Mekaniske egenskaper - Liste

• Strekkfasthet Rm
• Flytegrense Re, ReH og ReL
• Konvensjonell flytegrense Rp0,2
• Utvidelse A og A5
• Z-innsnevring
• Youngs modul E
• Poissons forhold ν
• Kirchhoffs modul G
• KV- og KU-slagfasthet – Charpy-test
• Metallhardhet – HBW, HRC, HRB, HV og Knoop
• Utmattingsstyrke og materialutmatting
• Motstand mot sprekkdannelser K_IC
• Trykkfasthet
• Bøyestyrke
• Skjærstyrke
• Kryping av materialer og mekaniske egenskaper ved høye temperaturer
• Statisk strekkprøving av metaller
• Spenning-tøyningskurve