ASTM E399 Liniowo-sprężysta wytrzymałość na pękanie w płaskim naprężeniu materiałów metalowych

Norma ASTM E399, opracowana przez Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM), opisuje metodę badawczą służącą do określania wytrzymałości na pękanie materiałów metalowych w warunkach głównie liniowo-sprężystych i płaskiego naprężenia, przy użyciu próbek o grubości 1,6 mm lub większej, wstępnie pękniętych wskutek zmęczenia.

W tej metodzie próbki poddaje się działaniu sił przemieszczania pęknięć, które rosną powoli lub, w szczególnych (wybiórczych) przypadkach, szybko. Szczegóły dotyczące aparatury badawczej, konfiguracji próbki i procedury badawczej podano w niniejszej normie. Przedstawiono dwie procedury obliczania wartości odporności na pękanie na podstawie danych eksperymentalnych:

• Procedura badania KIc: Ta procedura badawcza opiera się na wzroście pęknięć do 2% szerokości próbki. Może to prowadzić do wzrostu krzywej odporności na pękanie w zależności od rozmiaru próbki, przy czym większe próbki dają wyższe wyniki odporności na pękanie.
• Procedura badania KIsi: Ta procedura badawcza opiera się na stałym wydłużeniu pęknięcia wynoszącym 0,5 mm, w związku z czym KIsi jest mniej wrażliwy na rozmiar próbki niż KIc. Ta mniej wrażliwa na rozmiar wytrzymałość na pękanie (KIsi) jest w tej metodzie badawczej określana jako niewrażliwa na rozmiar.

Badania wytrzymałości na pękanie w płaskim rozciąganiu dla materiałów cieńszych niż 1,6 mm i wystarczająco kruchych można przeprowadzić przy użyciu innych rodzajów próbek. Nie ma standardowej metody badania materiałów o tak małej grubości.

ASTM E399 to powszechnie stosowana norma dotycząca mechaniki pękania, opracowana w celu określenia liniowo-sprężystej wytrzymałości na pękanie w płaszczyźnie rozciągania materiałów metalowych. Podstawową właściwością mierzoną w tym teście jest KIc, która opisuje odporność metalu na niestabilny wzrost pęknięć, gdy ostre pęknięcie występuje pod wpływem dużego naprężenia rozciągającego.

Wytrzymałość na pękanie jest szczególnie istotna, ponieważ element może pęknąć nawet wtedy, gdy jego nominalne naprężenie jest niższe od konwencjonalnej wytrzymałości na rozciąganie lub granicy plastyczności materiału, jeśli występuje wystarczająco duże pęknięcie lub defekt.

Norma ASTM E399 określa wymagania dotyczące pomiaru odporności na pękanie w warunkach przeważająco liniowo-sprężystych, płaskich naprężeń. Metoda ta wykorzystuje próbkę zawierającą pęknięcie przed zmęczeniem i przykłada rosnącą siłę przemieszczenia pęknięcia, aż do wystąpienia pęknięcia.

Niniejsza norma jest przeznaczona przede wszystkim do materiałów metalowych, w których obszar plastyczności wierzchołka pęknięcia jest wystarczająco mały w porównaniu z odpowiednimi wymiarami próbki. Pozwala to na scharakteryzowanie zachowania się pęknięć za pomocą liniowej mechaniki pękania sprężystego.

Norma ASTM E399 obejmuje wskaźnik KIc i podaje opcjonalną procedurę określania wskaźnika KIsi w określonych warunkach.

Wytrzymałość na pękanie to miara odporności materiału na rozprzestrzenianie się pęknięć. Różni się ona od wytrzymałości na rozciąganie. Podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie opisuje, jakie naprężenia materiał może wytrzymać przed pęknięciem, odporność na pękanie uwzględnia łączny wpływ:

• Przyłożone napięcie
• Rozmiar pęknięcia
• Geometria pęknięć
• Właściwości materiału
• Koncentracja naprężeń na czubku pęknięcia.

Materiał o dużej wytrzymałości na pękanie może wytrzymać stosunkowo duże pęknięcia bez katastrofalnego pęknięcia, w porównaniu z materiałem o niskiej wytrzymałości na pękanie.

Symbol KIc oznacza wytrzymałość materiału na pękanie w płaszczyźnie. Wartość ta charakteryzuje odporność materiału na pękanie w środowisku neutralnym, gdy jest on poddawany ostremu pęknięciu i w warunkach zbliżonych do liniowo-sprężystego rozciągania w płaszczyźnie. Norma ta określa, że ​​dla zamierzonej interpretacji KIc, strefa plastyczności wierzchołka pęknięcia powinna pozostać mała w stosunku do rozmiaru pęknięcia, grubości próbki i pozostałej tkanki łącznej.

Gdy koncentracja naprężeń osiągnie krytyczną wytrzymałość materiału na pękanie w panujących warunkach naprężenia płaskiego, może nastąpić niestabilny wzrost pęknięć.

Procedura zgodna z normą ASTM E399 zasadniczo obejmuje następujące podstawowe kroki:

• Przygotowanie próbki: Próbkę metalu przygotowuje się poprzez odpowiednią obróbkę dostosowaną do właściwej konfiguracji próbki.
• Przygotowanie nacięcia: Próbka zawiera ostre nacięcie początkowe.
• Pękanie wstępne zmęczeniowe: Obciążenie cykliczne jest stosowane w celu wydłużenia początkowego karbu i utworzenia ostrego pęknięcia zmęczeniowego.
• Pomiary wymiarowe: mierzone są kluczowe wymiary próbek i wymiary pęknięć.
• Obciążenie pękające: siłę i przemieszczenie rejestruje się podczas obciążania próbki w kontrolowanych warunkach.
• Analiza zapisu obciążenia i przemieszczenia: Określono obciążenie charakterystyczne służące do obliczenia wytrzymałości chwilowej.
• Obliczenia KIq (lub Kq): Obliczana jest tymczasowa wartość wytrzymałości na pękanie.
• Ocena walidacyjna: Sprawdzane są wymiary próbki, zachowanie się obciążenia, geometria pęknięć i inne wymagania.
• Raportowanie: Jeżeli spełnione są wymagania dotyczące ważności, wynik można zgłosić jako KIc.

Norma ASTM E399 określa wymagania dla różnych konfiguracji próbek. Najnowsza wersja obejmuje w szczególności:

• Kompaktowa próbka rozciągana: Jest to jedna z najczęściej stosowanych konfiguracji w badaniach odporności na pękanie. Obciążenie jest przykładane przez otwory w pobliżu otworu pęknięcia próbki, tworząc obciążenie rozciągające, które sprzyja powstawaniu pęknięć.
• Próbka zginana jednostronnie: Próbka jest zazwyczaj poddawana zginaniu za pomocą obciążenia trójpunktowego. Jest to kolejna powszechnie stosowana geometria do określania wytrzymałości na pękanie w płaszczyźnie.
• Kompaktowy preparat w kształcie dysku: Stanowi alternatywną konfigurację, która może być przydatna, gdy materiał lub geometria preparatu sprzyjają utworzeniu preparatu w kształcie dysku.
• Próbki o kształcie sprężyny: Norma ta obejmuje również wymagania dotyczące próbek o kształcie sprężyny przeznaczonych do rozciągania i zginania.

Wybrana konfiguracja próbki zależy od materiału, dostępnej objętości materiału, geometrii komponentu i wymagań laboratorium.

Jednym z najważniejszych aspektów normy ASTM E399 jest uzyskanie wystarczająco ostrego pęknięcia przed ostatecznym badaniem pękania. Karb wykonany maszynowo niekoniecznie odzwierciedla ostrość i koncentrację naprężeń naturalnego pęknięcia. Dlatego próbkę poddaje się kontrolowanemu obciążeniu cyklicznemu w celu poszerzenia karbu i utworzenia pęknięcia przed zmęczeniem. Zapewnia to bardziej realistyczne warunki wierzchołka pęknięcia w testach mechaniki pękania.

W normie ASTM E399 kluczowe znaczenie ma kilka pomiarów:

• Obciążenie przyłożone: Siła przyłożona do próbki podczas badania pękania jest stale monitorowana.
• Długość pęknięcia: Ponieważ obliczenia intensywności naprężeń w dużym stopniu zależą od geometrii pęknięcia, konieczne jest dokładne określenie długości początkowego pęknięcia zmęczeniowego.
• Wymiary próbki: Wymiary takie jak grubość i szerokość są istotne zarówno przy obliczaniu wytrzymałości na pękanie, jak i przy ocenie walidacyjnej.
• Przemieszczenie otworu złamania: Przemieszczenie w pobliżu otworu złamania dostarcza ważnych informacji o zachowaniu próbki podczas obciążania.

Norma ASTM E399 jest istotna, ponieważ odporność na pękanie jest kluczową właściwością inżynierską dla konstrukcji, które zawierają lub mogą zawierać pęknięcia i defekty. Norma ta zapewnia kontrolowaną i powtarzalną metodę oceny tej właściwości. Obszary zastosowań obejmują:

• Konstrukcje lotnicze
• Komponenty samolotu
• komponenty samochodowe
• Zbiorniki ciśnieniowe
• Sprzęt do produkcji energii
• Komponenty jądrowe
• Sprzęt naftowy i gazowy
• Mosty i elementy konstrukcyjne
• Ciężki sprzęt
• Sprzęt obronny
• Konstrukcje metalowe o wysokiej wytrzymałości
• Konstrukcje metalowe o wysokiej wytrzymałości

Nasza organizacja, z kompetentnym i doświadczonym zespołem, od wielu lat rozumie potrzeby swoich klientów, zapewniając im zaawansowane usługi testowe, których potrzebują, oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie świadczymy również usługi testowe zgodne z normą ASTM E399.