ASTM E399 Lineárno-elastická lomová húževnatosť kovových materiálov v rovinnom napätí

Norma ASTM E399, ktorú vyvinula Americká spoločnosť pre testovanie a materiály (ASTM), opisuje testovaciu metódu na stanovenie lomovej húževnatosti kovových materiálov za podmienok primárne lineárne elastického, rovinného napätia s použitím vzoriek s únavovými trhlinami s hrúbkou 1,6 mm alebo väčšou.

Pri tejto metóde sú vzorky vystavené silám posunutia trhliny, ktoré sa zvyšujú pomaly alebo v špeciálnych (selektívnych) prípadoch rýchlo. Podrobnosti o testovacom zariadení, konfigurácii vzorky a experimentálnom postupe sú uvedené v tejto norme. Sú opísané dva postupy výpočtu hodnôt lomovej húževnatosti pomocou experimentálnych údajov:

Skúšobný postup KIc: Tento skúšobný postup sa spolieha na rast trhlín až do 2 % šírky vzorky. To môže viesť k rastúcej krivke lomovej húževnatosti a odolnosti voči opotrebovaniu v závislosti od veľkosti vzorky, pričom väčšie vzorky poskytujú vyššie výsledky lomovej húževnatosti.
Skúšobný postup KIsi: Tento skúšobný postup je založený na konštantnom predĺžení trhliny 0,5 mm, a preto je KIsi menej citlivý na veľkosť vzorky ako KIc. Táto lomová húževnatosť (KIsi), ktorá je menej citlivá na veľkosť, sa v tejto testovacej metóde označuje ako necitlivá na veľkosť.

Skúšky húževnatosti v rovinnom ťahu pre materiály tenšie ako 1,6 mm a dostatočne krehké sa môžu vykonať s použitím iných typov vzoriek. Pre takéto tenké materiály neexistuje štandardná skúšobná metóda.

ASTM E399 je široko používaná norma lomovej mechaniky vyvinutá na stanovenie lineárne elastickej rovinnej lomovej húževnatosti kovových materiálov v ťahu. Základnou vlastnosťou meranou touto skúškou je KIc, ktorá opisuje odolnosť kovu voči nestabilnému rastu trhliny, keď je ostrá trhlina prítomná pri silnom ťahovom namáhaní.

Lomová húževnatosť je obzvlášť dôležitá, pretože súčiastka sa môže zlomiť, aj keď je jej menovité napätie nižšie ako konvenčná medza ťahu alebo medza klzu materiálu, ak je prítomná dostatočne veľká trhlina alebo chyba.

Norma ASTM E399 špecifikuje požiadavky na meranie lomovej húževnatosti za podmienok prevažne lineárne elastického, rovinného napätia. Táto metóda používa vzorku s predúnavovou trhlinou a aplikuje zvyšujúcu sa silu posunutia trhliny, kým nedôjde k lomu.

Táto norma je primárne určená pre kovové materiály, kde je plastická oblasť hrotu trhliny dostatočne malá v porovnaní s príslušnými rozmermi vzorky. To umožňuje charakterizovať lomové správanie pomocou lineárne elastickej lomovej mechaniky.

Norma ASTM E399 sa vzťahuje na KIc a tiež poskytuje voliteľný postup na stanovenie KIsi za špecifikovaných podmienok.

Lomová húževnatosť je mierou schopnosti materiálu odolávať šíreniu trhlín. Líši sa od pevnosti v ťahu. Zatiaľ čo pevnosť v ťahu opisuje, aké veľké namáhanie materiál znesie pred ťahovým lomom, lomová húževnatosť zohľadňuje kombinovaný účinok:

Aplikované napätie
Veľkosť trhliny
Geometria trhlín
Vlastnosti materiálu
Koncentrácia napätia na hrote trhliny.

Materiál s vysokou lomovou húževnatosťou dokáže odolať relatívne veľkým trhlinám bez katastrofického lomu v porovnaní s materiálom s nízkou lomovou húževnatosťou.

Symbol KIc predstavuje lomovú húževnatosť materiálu v rovinnom ťahu. Táto hodnota charakterizuje odolnosť materiálu voči lomu v neutrálnom prostredí, keď je vystavený ostrej trhline a podmienkam blížiacim sa lineárne elastickému správaniu v rovinnom ťahu. Táto norma špecifikuje, že pre zamýšľanú interpretáciu KIc by plastická zóna na hrote trhliny mala zostať malá v porovnaní s veľkosťou trhliny, hrúbkou vzorky a zostávajúcim spojivovým tkanivom.

Keď koncentrácia napätia dosiahne kritickú lomovú húževnatosť materiálu za prevládajúcich podmienok rovinného napätia, môže dôjsť k nestabilnému rastu trhliny.

Postup normy ASTM E399 sa vo všeobecnosti riadi týmito základnými krokmi:

Príprava vzorky: Kovová vzorka sa pripraví vhodným spracovaním podľa vhodnej konfigurácie vzorky.
Príprava zárezu: Vzorka obsahuje ostrý počiatočný zárez.
Predpraskanie únavou: Cyklické zaťaženie sa používa na predĺženie počiatočného zárezu a vytvorenie ostrej únavovej trhliny.
Merania rozmerov: Merajú sa kľúčové rozmery vzorky a rozmery trhliny.
Zaťaženie lomom: Sila a posunutie sa zaznamenávajú počas zaťažovania vzorky za kontrolovaných podmienok.
Analýza záznamu o zaťažení a posunutí: Stanoví sa charakteristické zaťaženie použité na výpočet dočasnej húževnatosti.
Výpočet KIq (alebo Kq): Vypočíta sa dočasná hodnota lomovej húževnatosti.
Validačné posúdenie: Kontrolujú sa rozmery vzorky, správanie sa pri zaťažení, geometria trhliny a ďalšie požiadavky.
Hlásenie: Ak sú splnené požiadavky na platnosť, výsledok možno hlásiť ako KIc.

Norma ASTM E399 stanovuje požiadavky na rôzne konfigurácie vzoriek. Najnovšia verzia konkrétne zahŕňa nasledovné:

Kompaktná ťahová vzorka: Toto je jedna z najčastejšie používaných konfigurácií pri skúšaní lomovej húževnatosti. Zaťaženie sa aplikuje cez otvory v blízkosti otvorenia trhliny vo vzorke, čím sa vytvára ťahové zaťaženie, ktoré podporuje otvorenie trhliny.
Jednookrajová ohybová vzorka: Vzorka sa typicky ohýba pomocou trojbodového zaťažovacieho usporiadania. Toto je ďalšia bežne používaná geometria na stanovenie rovinnej lomovej húževnatosti v ťahu.
Kompaktná vzorka v tvare disku: Toto poskytuje alternatívnu konfiguráciu, ktorá môže byť užitočná, keď materiál alebo geometria vzorky podporuje vzorku v tvare disku.
Pružinové vzorky: Táto norma obsahuje aj požiadavky na pružinové vzorky na ťah a ohyb.

Zvolená konfigurácia vzorky závisí od materiálu, objemu dostupného materiálu, geometrie komponentu a požiadaviek laboratória.

Jedným z najdôležitejších aspektov normy ASTM E399 je vytvorenie dostatočne ostrej trhliny pred záverečnou skúškou lomu. Obrobený zárez nemusí nevyhnutne reprodukovať ostrosť a koncentráciu napätia prirodzene sa vyskytujúcej trhliny. Preto je vzorka vystavená kontrolovanému cyklickému zaťaženiu, aby sa zárez rozšíril a vytvorila sa predúnavová trhlina. To poskytuje realistickejší stav hrotu trhliny pre skúšky lomovej mechaniky.

V norme ASTM E399 je kritických niekoľko meraní:

Aplikované zaťaženie: Sila pôsobiaca na vzorku počas skúšky lomu sa nepretržite monitoruje.
Dĺžka trhliny: Keďže výpočty intenzity napätia vo veľkej miere závisia od geometrie trhliny, musí sa presne určiť dĺžka počiatočnej únavovej trhliny.
Rozmery vzorky: Rozmery ako hrúbka a šírka sú dôležité pre výpočet lomovej húževnatosti aj pre validačné posúdenie.
Posun ústia zlomeniny: Posun v blízkosti ústia zlomeniny poskytuje dôležité informácie o správaní vzorky počas zaťaženia.

Norma ASTM E399 je dôležitá, pretože lomová húževnatosť je kritickou inžinierskou vlastnosťou pre konštrukcie, ktoré obsahujú alebo potenciálne obsahujú trhliny a defekty. Táto norma poskytuje kontrolovanú a opakovateľnú metódu na hodnotenie tejto vlastnosti. Medzi oblasti použitia patria:

Letecké a kozmické štruktúry
Komponenty lietadla
Automobilové komponenty
Tlakové nádoby
Zariadenia na výrobu energie
Jadrové komponenty
Zariadenia na ropu a plyn
Mosty a konštrukčné prvky
Ťažké stroje
Obranné vybavenie
Vysokopevnostné kovové konštrukcie
Vysokopevnostné kovové konštrukcie

Naša organizácia so svojím kompetentným a skúseným tímom už mnoho rokov rozumie potrebám svojich klientov, poskytuje im pokročilé testovacie služby a pomáha im pri zavádzaní, implementácii a zlepšovaní systémov manažérstva. V tomto rámci poskytujeme aj testovacie služby v súlade s normou ASTM E399.