ASTM E399 Линейно-еластична плоскостна якост на разрушаване при напрежение на метални материали

Стандартът ASTM E399, разработен от Американското дружество за изпитване и материали (ASTM), описва метод за изпитване за определяне на якостта на разрушаване на метални материали при условия на предимно линейно-еластично, равнинно напрежение, като се използват предварително напукани от умора образци с дебелина 1,6 mm или по-голяма.

При този метод пробите се подлагат на сили на изместване на пукнатини, които се увеличават бавно или, в специални (селективни) случаи, бързо. Подробности за изпитвателната апаратура, конфигурацията на пробата и експерименталната процедура са дадени в този стандарт. Описани са две процедури за изчисляване на стойностите на жилавостта на разрушаване с помощта на експериментални данни:

• KIc процедура за изпитване: Тази процедура за изпитване разчита на растеж на пукнатини до 2% от ширината на пробата. Това може да доведе до нарастваща крива на якост на разрушаване-съпротивление в зависимост от размера на пробата, като по-големите проби дават по-високи резултати за якост на разрушаване.
• KIsi процедура за изпитване: Тази процедура за изпитване се основава на постоянно удължение на пукнатината от 0,5 mm и в резултат на това KIsi е по-малко чувствителна към размера на пробата, отколкото KIc. Тази по-малко чувствителна към размера жилавост на разрушаване (KIsi) се нарича нечувствителна към размера в този метод за изпитване.

Изпитванията за якост на опън при разрушаване на материали с дебелина под 1,6 мм и достатъчно крехки могат да се извършат с други видове проби. Няма стандартен метод за изпитване на толкова тънки материали.

ASTM E399 е широко използван стандарт за механика на разрушаване, разработен за определяне на линейно-еластична якост на опън при разрушаване на метални материали. Основното свойство, измерено чрез теста, е KIc, което описва устойчивостта на метала на нестабилен растеж на пукнатини, когато има остра пукнатина под силно опънно напрежение.

Жилавостта на счупване е особено важна, защото даден компонент може да се счупи, дори ако номиналното му напрежение е под конвенционалната граница на опън или граница на провлачване на материала, ако има достатъчно голяма пукнатина или дефект.

Стандартът ASTM E399 определя изискванията за измерване на жилавостта на разрушаване при предимно линейно-еластични, равнинни напрежения. Този метод използва образец, съдържащ пукнатина преди умора, и прилага нарастваща сила на изместване на пукнатината, докато се получи разрушаване.

Този стандарт е предназначен предимно за метални материали, при които пластичната област на върха на пукнатината е достатъчно малка в сравнение със съответните размери на пробата. Това позволява характеризиране на поведението на разрушаване с помощта на линейно-еластична механика на разрушаване.

Стандартът ASTM E399 обхваща KIc и също така предоставя незадължителна процедура за определяне на KIsi при определени условия.

Жикавостта на разрушаване е мярка за способността на материала да се съпротивлява на разпространението на пукнатини. Тя се различава от якостта на опън. Докато якостта на опън описва колко напрежение може да издържи материалът преди разрушаване от опън, жилавостта на разрушаване отчита комбинирания ефект на:

• Приложено напрежение
• Размер на пукнатината
• Геометрия на пукнатините
• Свойства на материала
• Концентрация на напрежение на върха на пукнатината.

Материал с висока жилавост на разрушаване може да издържи на относително големи пукнатини без катастрофално разрушаване, в сравнение с материал с ниска жилавост на разрушаване.

Символът KIc представлява якостта на опън на материала. Тази стойност характеризира съпротивлението на материала на разрушаване в неутрална среда, когато е подложен на остра пукнатина и условия, приближаващи се до линейно-еластично поведение на опън. Този стандарт определя, че за предвидената интерпретация на KIc, пластичната зона на върха на пукнатината трябва да остане малка спрямо размера на пукнатината, дебелината на образеца и останалата съединителна тъкан.

Когато концентрацията на напрежение достигне критичната жилавост на разрушаване на материала при преобладаващите условия на равнинно напрежение, може да възникне нестабилен растеж на пукнатини.

Стандартната процедура на ASTM E399 обикновено следва тези основни стъпки:

• Подготовка на пробата: Метална проба се приготвя чрез подходяща обработка, съгласно подходящата конфигурация на пробата.
• Подготовка на прореза: Пробата включва остър начален прорез.
• Предварително напукване от умора: Цикличното натоварване се използва за удължаване на първоначалния прорез и създаване на остра пукнатина от умора.
• Измервания на размерите: Измерват се ключовите размери на пробите и размерите на пукнатините.
• Натоварване при счупване: Силата и изместването се записват, докато пробата се натоварва при контролирани условия.
• Анализ на записа натоварване-изместване: Определя се характерното натоварване, използвано за изчисляване на временната жилавост.
• Изчисляване на KIq (или Kq): Изчислява се временна стойност на жилавостта на разрушаване.
• Валидационна оценка: Проверяват се размерите на пробата, поведението при натоварване, геометрията на пукнатините и други изисквания.
• Докладване: Ако са изпълнени изискванията за валидност, резултатът може да бъде докладван като KIc.

Стандартът ASTM E399 предоставя изисквания за различни конфигурации на образците. Последната версия включва по-специално следното:

• Компактна проба за опън: Това е една от най-често използваните конфигурации при изпитване на жилавост на разрушаване. Натоварването се прилага през отвори близо до отвора на пукнатината в пробата, създавайки опънно натоварване, което насърчава отварянето на пукнатината.
• Образец за огъване с един ръб: Образецът обикновено се подлага на огъване, използвайки триточково натоварване. Това е друга често използвана геометрия за определяне на равнинната якост на опън при разрушаване.
• Дисководен компактен образец: Това осигурява алтернативна конфигурация, която може да бъде полезна, когато материалът или геометрията на образеца поддържа дисководен образец.
• Пружинни образци: Този стандарт включва също изисквания за пружинни образци за опън и пружинно огъване.

Избраната конфигурация на пробата зависи от материала, обема на наличния материал, геометрията на компонента и лабораторните изисквания.

Един от най-важните аспекти на стандарта ASTM E399 е създаването на достатъчно остра пукнатина преди окончателното изпитване за разрушаване. Машинно изработеният прорез не е задължително да възпроизвежда остротата и концентрацията на напрежение на естествено възникваща пукнатина. Следователно, образецът се подлага на контролирано циклично натоварване, за да се разшири прорезът и да се създаде пукнатина преди умора. Това осигурява по-реалистично състояние на върха на пукнатината за изпитвания по механика на разрушаване.

Няколко измервания са критични в стандарта ASTM E399:

• Приложено натоварване: Силата, приложена към пробата по време на изпитването за разрушаване, се следи непрекъснато.
• Дължина на пукнатината: Тъй като изчисленията на интензитета на напрежението зависят силно от геометрията на пукнатината, дължината на началната пукнатина от умора трябва да бъде точно определена.
• Размери на пробата: Размери като дебелина и ширина са важни както за изчисляването на якостта на разрушаване, така и за оценката на валидирането.
• Изместване на отвора на фрактурата: Изместването в близост до отвора на фрактурата предоставя важна информация за поведението на пробата по време на натоварване.

Стандартът ASTM E399 е важен, защото жилавостта на разрушаване е критично инженерно свойство за конструкции, които съдържат или потенциално съдържат пукнатини и дефекти. Този стандарт предоставя контролиран и повтаряем метод за оценка на това свойство. Областите на приложение включват:

• Аерокосмически структури
• Компоненти на самолета
• Автомобилни компоненти
• Съдове под налягане
• Оборудване за производство на енергия
• Ядрени компоненти
• Оборудване за нефт и газ
• Мостове и структурни компоненти
• Тежки машини
• Отбранително оборудване
• Високоякостни метални конструкции
• Високоякостни метални конструкции

В продължение на много години нашата организация, със своя компетентен и опитен екип, разбира нуждите на своите клиенти, предоставяйки им необходимите съвременни услуги за тестване и подпомагайки ги при създаването, внедряването и подобряването на системите за управление. В тази рамка ние също така предоставяме услуги за тестване в съответствие със стандарта ASTM E399.