ASTM E399 Линеарно-еластична рамнинска цврстина на кршење на метални материјали

Стандардот ASTM E399, развиен од Американското здружение за тестирање и материјали (ASTM), опишува метод на тестирање за одредување на цврстината на кршење на метални материјали под услови на првенствено линеарно еластичен, рамнински стрес, користејќи примероци претходно испукани со замор со дебелина од 1,6 mm или поголема.

Во овој метод, примероците се подложени на сили на поместување на пукнатините кои се зголемуваат бавно или, во посебни (селективни) случаи, брзо. Детали за апаратурата за тестирање, конфигурацијата на примерокот и експерименталната постапка се дадени во овој стандард. Наведени се две постапки за пресметување на вредностите на цврстина на кршење со користење на експериментални податоци:

• KIc тест постапка: Оваа тест постапка се потпира на раст на пукнатини до 2% од ширината на примерокот. Ова може да доведе до зголемување на кривата на цврстина-отпорност на кршење во зависност од големината на примерокот, при што поголемите примероци даваат повисоки резултати на цврстина на кршење.
• Постапка за тестирање на KIsi: Оваа постапка за тестирање се базира на константна количина на издолжување на пукнатината од 0,5 mm, и како резултат на тоа, KIsi е помалку чувствителен на големината на примерокот од KIc. Оваа помалку чувствителна на големината цврстина на кршење (KIsi) се нарекува нечувствителна на големината низ целиот овој метод на тестирање.

Тестовите за цврстина на кршење во рамнина за материјали потенки од 1,6 mm и доволно кршливи може да се извршат со употреба на други типови примероци. Не постои стандарден метод за тестирање за материјали со толку тенки димензии.

ASTM E399 е широко користен стандард за механика на фрактури, развиен за да се одреди линеарно-еластичната рамнинска затегнувачка цврстина на фрактури на металните материјали. Основното својство мерено со тестот е KIc, кое ја опишува отпорноста на металот на нестабилен раст на пукнатини кога е присутна остра пукнатина под силен затегнувачки стрес.

Отпорноста на кршење е особено важна бидејќи компонентата може да се скрши дури и ако нејзиниот номинален напон е под конвенционалната затегнувачка или цврстина на истегнување на материјалот, ако е присутна доволно голема пукнатина или дефект.

Стандардот ASTM E399 ги специфицира барањата за мерење на цврстината на кршење под претежно линеарни еластични услови на рамнинско напрегање. Овој метод користи примерок што содржи пукнатина пред замор и применува зголемена сила на поместување на пукнатината сè додека не се појави фрактура.

Овој стандард е првенствено дизајниран за метални материјали каде што пластичниот регион на врвот на пукнатината е доволно мал во споредба со релевантните димензии на примерокот. Ова овозможува карактеризирање на однесувањето на кршење со употреба на линеарна еластична механика на кршење.

Стандардот ASTM E399 го опфаќа KIc, а исто така обезбедува и опционална постапка за одредување на KIsi под одредени услови.

Јакоста на кршење е мерка за способноста на материјалот да се спротивстави на ширењето на пукнатините. Таа се разликува од затегнувачката цврстина. Додека затегнувачката цврстина опишува колку стрес може да издржи материјалот пред затегнувачката фрактура, цврстината на кршење го зема предвид комбинираниот ефект на:

• Применет напон
• Големина на пукнатина
• Геометрија на пукнатините
• Материјал својства
• Концентрација на стрес на врвот на пукнатината.

Материјал со висока цврстина на кршење може да издржи релативно големи пукнатини без катастрофално кршење, во споредба со материјал со ниска цврстина на кршење.

Симболот KIc ја претставува цврстината на кршење при рамно затегнување на материјалот. Оваа вредност ја карактеризира отпорноста на материјалот на кршење во неутрална средина кога е изложен на остра пукнатина и услови кои се приближуваат кон линеарно-еластично, рамно затегнувачко однесување. Овој стандард специфицира дека за предвидената KIc интерпретација, пластичната зона на врвот на пукнатината треба да остане мала во однос на големината на пукнатината, дебелината на примерокот и преостанатото сврзно ткиво.

Кога концентрацијата на напрегање ќе ја достигне критичната цврстина на кршење на материјалот под преовладувачките услови на рамнинско напрегање, може да се појави нестабилен раст на пукнатини.

Стандардната постапка ASTM E399 генерално ги следи овие основни чекори:

• Подготовка на примерокот: Металниот примерок се подготвува со соодветна обработка според соодветната конфигурација на примерокот.
• Подготовка на засек: Примерокот вклучува остар почетен засек.
• Претходно пукање од замор: Циклично оптоварување се користи за издолжување на почетниот засек и создавање остра пукнатина од замор.
• Димензионални мерења: Се мерат клучните димензии на примерокот и димензиите на пукнатините.
• Оптоварување на фрактура: Силата и поместувањето се евидентираат додека примерокот се оптоварува под контролирани услови.
• Анализа на записот за оптоварување-поместување: Се одредува карактеристичното оптоварување што се користи за пресметување на привремената цврстина.
• Пресметка на KIq (или Kq): Се пресметува привремена вредност на цврстина на кршење.
• Проценка на валидација: Се проверуваат димензиите на примерокот, однесувањето при оптоварување, геометријата на пукнатините и другите барања.
• Известување: Доколку се исполнети условите за валидност, резултатот може да се пријави како KIc.

Стандардот ASTM E399 ги предвидува барањата за различни конфигурации на примероци. Најновата верзија конкретно ги вклучува следниве:

• Компактен затегнувачки примерок: Ова е една од најчесто користените конфигурации при тестирање на цврстина на кршење. Оптоварувањето се применува преку дупки во близина на отворот на пукнатината на примерокот, создавајќи затегнувачко оптоварување кое го поттикнува отворањето на пукнатината.
• Примерок со едностран свиткување: Примерокот обично се подложува на свиткување со употреба на аранжман за оптоварување од три точки. Ова е уште една често користена геометрија за одредување на цврстината на затегнувачко кршење во рамнина.
• Компактен примерок во форма на диск: Ова обезбедува алтернативна конфигурација што може да биде корисна кога материјалот или геометријата на примерокот поддржува примерок во форма на диск.
• Примероци во облик на пружина: Овој стандард, исто така, вклучува барања за примероци за затегнување во облик на пружина и примероци за свиткување во облик на пружина.

Избраната конфигурација на примерокот зависи од материјалот, обемот на достапен материјал, геометријата на компонентата и лабораториските барања.

Еден од најважните аспекти на стандардот ASTM E399 е да се создаде доволно остра пукнатина пред финалниот тест за кршење. Машински обработениот засек не мора нужно да ја репродуцира острината и концентрацијата на напрегање на природно настанатата пукнатина. Затоа, примерокот е подложен на контролирано циклично оптоварување за да се прошири засекот и да се создаде пукнатина пред замор. Ова обезбедува пореална состојба на врвот на пукнатината за тестови за механика на кршење.

Неколку мерења се критични во стандардот ASTM E399:

• Применето оптоварување: Силата што се применува на примерокот за време на тестот на фрактура се следи континуирано.
• Должина на пукнатината: Бидејќи пресметките на интензитетот на напрегањето во голема мера зависат од геометријата на пукнатината, должината на почетната пукнатина од замор мора точно да се одреди.
• Димензии на примерокот: Димензии како што се дебелината и ширината се важни и за пресметка на цврстината на кршење и за проценка на валидацијата.
• Поместување на отворот на устата на фрактурата: Поместувањето во близина на устата на фрактурата дава важни информации за однесувањето на примерокот за време на товарењето.

Стандардот ASTM E399 е важен бидејќи цврстината на кршење е критично инженерско својство за конструкции кои содржат, или потенцијално содржат, пукнатини и дефекти. Овој стандард обезбедува контролиран и повторувачки метод за оценување на ова својство. Областите на примена вклучуваат:

• Воздухопловни структури
• Компоненти на авиони
• Автомобилски компоненти
• Притисочни садови
• Опрема за производство на енергија
• Нуклеарни компоненти
• Опрема за нафта и гас
• Мостови и структурни компоненти
• Тешка машинерија
• Одбранбена опрема
• Метални конструкции со висока цврстина
• Метални конструкции со висока цврстина

Со години, нашата организација, со својот компетентен и искусен тим, ги разбира потребите на своите клиенти, обезбедувајќи им напредни услуги за тестирање што им се потребни и помагајќи им во воспоставувањето, имплементацијата и подобрувањето на системите за управување. Во оваа рамка, ние исто така нудиме услуги за тестирање во согласност со стандардот ASTM E399.