Вязкость разрушения - Fracture toughness

В науке материалов , вязкость разрушения является критическим фактором интенсивности напряжений резкога трещины , где распространение трещины внезапно становится быстрым и неограниченным. Толщина компонента влияет на условия ограничения в вершине трещины с тонкими компонентами, имеющими условия плоского напряжения, и толстыми компонентами, имеющими условия плоской деформации . Условия плоской деформации дают наименьшее значение вязкости разрушения, которое является свойством материала . Критическое значение коэффициента интенсивности напряжений в режиме I нагрузки измеряется в условиях плоской деформации известно как вязкость разрушения при плоской деформации , обозначаемый . Когда испытание не соответствует толщине и другим требованиям к испытаниям, которые существуют для обеспечения условий плоской деформации, полученному значению трещиностойкости присваивается обозначение . Вязкость разрушения - это количественный способ выражения сопротивления материала распространению трещин, и обычно доступны стандартные значения для данного материала. ${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$${\ displaystyle K _ {\ text {c}}}$

Медленное самоподдерживающееся распространение трещин, известное как коррозионное растрескивание под напряжением , может происходить в коррозионной среде выше порогового значения и ниже . Небольшие приращения расширения трещины могут также происходить во время роста усталостной трещины, которая после повторяющихся циклов нагружения может постепенно увеличивать трещину до окончательного разрушения из-за превышения вязкости разрушения. ${\ displaystyle K _ {\ text {Iscc}}}$${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$

Вариант материала

Тип материала	Материал	K Ic (МПа · м 1/2 )
Металл	Алюминий	14–28
	Алюминиевый сплав (7075)	20–35
	Инконель 718	73-87
	Мартенситностареющая сталь (марка 200)	175
	Стальной сплав (4340)	50
	Титановый сплав	84–107
Керамика	Оксид алюминия	3–5
	Карбид кремния	3–5
	Натриево-известковое стекло	0,7–0,8
	Конкретный	0,2–1,4
Полимер	Полиметилметакрилат	0,7–1,60
	Полистирол	0,7–1,1
Композитный	Муллита -fibre композитный	1,8–3,3
	Аэрогели кремнезема	0,0008–0,0048

Вязкость разрушения варьируется примерно на 4 порядка в зависимости от материала. Металлы обладают наивысшими значениями вязкости разрушения. Трещины не могут легко распространяться в вязких материалах, что делает металлы очень устойчивыми к растрескиванию под напряжением и придает их кривой напряжение-деформацию большой зоне пластического течения. Керамика имеет более низкую вязкость разрушения, но демонстрирует исключительное улучшение разрушения под напряжением, которое объясняется увеличением их прочности на 1,5 порядка по сравнению с металлами. Вязкость разрушения композитов, полученных путем комбинирования инженерной керамики с инженерными полимерами, значительно превышает индивидуальную вязкость разрушения составляющих материалов.

Механизмы

Внутренние механизмы

Механизмы внутреннего упрочнения - это процессы, которые действуют перед вершиной трещины и повышают ударную вязкость материала. Они будут иметь тенденцию быть связаны со структурой и связью основного материала, а также с микроструктурными особенностями и добавками к нему. Примеры механизмов включают

• прогиб трещины вторичными фазами,
• раздвоение трещин из-за мелкозернистой структуры
• изменение пути трещины из-за границ зерен

Любое изменение основного материала, повышающее его пластичность, также можно рассматривать как внутреннее упрочнение.

Границы зерен

Наличие зерен в материале также может влиять на его ударную вязкость, влияя на способ распространения трещин. Перед трещиной может присутствовать пластическая зона по мере текучести материала. За пределами этой области материал остается эластичным. Условия для разрушения являются наиболее благоприятными на границе между этой пластической и упругой зоной, и поэтому трещины часто возникают из-за раскола зерна в этом месте.

При низких температурах, когда материал может стать полностью хрупким, например, в объемно-центрированном кубическом (ОЦК) металле, пластическая зона сжимается, и остается только упругая зона. В этом состоянии трещина будет распространяться за счет последовательного дробления зерен. При таких низких температурах предел текучести высок, но деформация разрушения и радиус кривизны вершины трещины низкие, что приводит к низкой ударной вязкости.

При более высоких температурах предел текучести уменьшается, что приводит к образованию зоны пластичности. Раскол, вероятно, начнется на границе упруго-пластической зоны, а затем вернется к вершине основной трещины. Обычно это смесь дробления зерен и вязкого разрушения зерен, известного как волокнистые связи. Процент волокнистых связей увеличивается с повышением температуры до тех пор, пока связь не станет полностью волокнистой. В этом состоянии, даже если предел текучести ниже, наличие пластичного разрушения и более высокий радиус кривизны вершины трещины приводит к более высокой ударной вязкости.

Включения

Включения в материале, таком как частицы второй фазы, могут действовать подобно хрупким зернам, которые могут влиять на распространение трещин. Разрушение или декогезия включения могут быть вызваны либо приложенным внешним напряжением, либо дислокациями, вызванными требованием включения к поддержанию прилегания к матрице вокруг него. Как и в случае зерен, наиболее вероятно, что разрушение происходит на границе упруго-пластической зоны. Тогда трещина может снова соединиться с основной трещиной. Если пластическая зона мала или плотность включений мала, трещина, скорее всего, напрямую соединится с вершиной основной трещины. Если пластическая зона велика или плотность включений высока, в пластической зоне могут возникать дополнительные трещины включений, и соединение происходит при продвижении от трещины к ближайшему трещиноватому включению в пределах зоны.

Ужесточение трансформации

Трансформационное упрочнение - это явление, при котором материал претерпевает одно или несколько мартенситных (смещающих, бездиффузионных) фазовых превращений, которые приводят к почти мгновенному изменению объема этого материала. Это преобразование запускается изменением напряженного состояния материала, например увеличением растягивающего напряжения, и действует против приложенного напряжения. Таким образом, когда материал локально подвергается растяжению, например, на вершине растущей трещины, он может претерпевать фазовое превращение, которое увеличивает его объем, снижая локальное растягивающее напряжение и препятствуя прохождению трещины через материал. Этот механизм используется для повышения ударной вязкости керамических материалов, в первую очередь из оксида циркония, стабилизированного иттрием, для таких применений, как керамические ножи и термобарьерные покрытия на лопатках турбин реактивных двигателей.

Внешние механизмы

Механизмы внешнего упрочнения - это процессы, которые действуют за вершиной трещины, препятствуя ее дальнейшему раскрытию. Примеры включают

• соединение волокон / ламелей, когда эти структуры удерживают вместе две поверхности излома после того, как трещина распространилась через матрицу,
• расклинивание трещины из-за трения между двумя шероховатыми поверхностями излома, и
• микротрещины, когда в материале вокруг основной трещины образуются более мелкие трещины, снимающие напряжение на вершине трещины за счет эффективного увеличения податливости материала .

Методы испытаний

Испытания на вязкость разрушения проводятся для количественной оценки сопротивления материала разрушению в результате растрескивания. Такие испытания приводят либо к однозначному измерению вязкости разрушения, либо к кривой сопротивления . Кривые сопротивления представляют собой графики, на которых параметры вязкости разрушения (K, J и т. Д.) Нанесены в зависимости от параметров, характеризующих распространение трещины. Кривая сопротивления или однозначная вязкость разрушения получают на основе механизма и стабильности разрушения. Вязкость разрушения - критическое механическое свойство для инженерных приложений. Существует несколько типов испытаний, используемых для измерения вязкости разрушения материалов, в которых обычно используется образец с надрезом в одной из различных конфигураций. Широко используемым стандартизированным методом испытаний является испытание на удар по Шарпи, при котором образец с V-образным или U-образным надрезом подвергается удару из-за надреза. Также широко используются испытания на смещение трещин, такие как испытания на трехточечный изгиб балки с тонкими трещинами, предварительно заложенными в испытательные образцы перед приложением нагрузки.

Требования к тестированию

Выбор образца

Стандарт ASTM E1820 для измерения вязкости разрушения рекомендует три типа купонов для испытаний на вязкость разрушения: однореберный купон на изгиб [SE (B)], компактный купон на растяжение [C (T)] и компактный дисковый купон на растяжение. [DC (T)]. Каждая конфигурация образца характеризуется тремя параметрами, а именно длиной трещины (a), толщиной (B) и шириной (W). Значения этих размеров определяются требованиями конкретного испытания, которое проводится с образцом. Подавляющее большинство тестов проводится либо в компактной конфигурации, либо в конфигурации SENB . При тех же характерных размерах компактная конфигурация требует меньшего количества материала по сравнению с SENB.

Ориентация на материал

Ориентация трещины важна из-за неизотропной природы большинства конструкционных материалов. Из-за этого внутри материала могут быть плоскости ослабления , и рост трещины в этой плоскости может быть легче по сравнению с другим направлением. Из-за этой важности ASTM разработало стандартизированный способ представления информации об ориентации трещин относительно оси поковки. Буквы L, T и S используются для обозначения продольного , поперечного и короткого поперечного направлений, где продольное направление совпадает с осью поковки. Ориентация обозначается двумя буквами, первая из которых обозначает направление главного растягивающего напряжения, а вторая - направление распространения трещины. Вообще говоря, нижняя граница вязкости материала получается при ориентации роста трещины в направлении оси поковки.

Предварительное растрескивание

Для получения точных результатов перед испытанием требуется острая трещина. Обработанные пазы и пазы не соответствуют этому критерию. Наиболее эффективный способ создания достаточно острой трещины - применение циклической нагрузки для роста усталостной трещины из паза. Усталостные трещины возникают на краю прорези и могут распространяться до тех пор, пока длина трещины не достигнет желаемого значения.

Циклическое нагружение тщательно контролируется, чтобы не повлиять на ударную вязкость материала из-за деформационного упрочнения. Это делается путем выбора циклических нагрузок, которые создают гораздо меньшую пластическую зону по сравнению с пластической зоной основной трещины. Например, согласно ASTM E399, максимальная интенсивность напряжения K _max должна быть не более 0,6 на начальной стадии и менее 0,8, когда трещина приближается к своему окончательному размеру. ${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$

В некоторых случаях канавки обрабатываются на сторонах образца вязкости разрушения, так что толщина образца уменьшается минимум до 80% от исходной толщины вдоль предполагаемой траектории расширения трещины. Причина в том, чтобы сохранить прямой фронт трещины во время испытания R-кривой.

Четыре основных стандартизированных испытания описаны ниже: испытания K _Ic и K _R действительны для линейно-упругой механики разрушения (LEFM), а испытания J и J _R действительны для механики упругопластического разрушения (EPFM).

Определение вязкости разрушения при плоской деформации

Когда до разрушения материал ведет себя линейно-упругим образом, так что пластическая зона мала по сравнению с размером образца, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений режима I может быть подходящим параметром разрушения. Этот метод обеспечивает количественную оценку вязкости разрушения с точки зрения критического коэффициента интенсивности напряжений плоской деформации . После завершения тест необходимо подтвердить, чтобы результаты были значимыми. Размер образца фиксирован и должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить условия плоской деформации в вершине трещины.

Толщина образца влияет на степень ограничения в вершине трещины, что, в свою очередь, влияет на значение вязкости разрушения. Вязкость разрушения уменьшается с увеличением размера образца до тех пор, пока не будет достигнуто плато. Требования к размеру образца в ASTM E 399 предназначены для обеспечения того, чтобы измерения соответствовали плато плоской деформации, гарантируя, что образец разрушается в условиях номинальной линейной упругости. То есть пластическая зона должна быть небольшой по сравнению с поперечным сечением образца. Текущая версия E 399 допускает четыре конфигурации образцов: компактные, SE (B), дугообразные и дискообразные образцы. Образцы для испытаний обычно изготавливаются с шириной W, равной удвоенной толщине B. Они имеют предварительную усталостную трещину, так что отношение длины / ширины трещины (a / W) составляет от 0,45 до 0,55. Таким образом, конструкция образца такова, что все ключевые размеры a, B и W − a приблизительно равны. Такая конструкция обеспечивает эффективное использование материала, поскольку стандарт требует, чтобы каждый из этих размеров был большим по сравнению с зоной пластика. ${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$

Испытание на вязкость разрушения при плоской деформации

При проведении испытания на вязкость разрушения наиболее распространенными конфигурациями образцов для испытаний являются образцы с односторонним надрезом (SENB или трехточечный изгиб) и компактные образцы на растяжение (CT). Испытания показали, что условия плоской деформации обычно преобладают, когда:

${\ displaystyle B, a \ geq 2.5 \ left ({\ frac {K_ {IC}} {\ sigma _ {\ text {YS}}}} \ right) ^ {2}}$

где - минимально необходимая толщина, вязкость разрушения материала и - предел текучести материала. ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle K _ {\ text {Ic}}}$${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {YS}}}$

Испытание проводится путем постоянного нагружения с такой скоростью, что K _I увеличивается с 0,55 до 2,75 (МПа ) / с. Во время испытания регистрируется нагрузка и смещение раскрытия устья трещины (CMOD), и испытание продолжается до достижения максимальной нагрузки. Критическая нагрузка <P _Q рассчитывается по графику зависимости нагрузки от CMOD. Предварительная ударная вязкость K _Q определяется как ${\ displaystyle {\ sqrt {m}}}$

${\ displaystyle K_ {Q} = {\ frac {P_ {Q}} {{\ sqrt {W}} B}} f (a / W, ...)}$.

Геометрический коэффициент является безразмерной функцией a / W и задается в полиномиальной форме в стандарте E 399. Геометрический коэффициент для компактной тестовой геометрии можно найти здесь . Это предварительное значение ударной вязкости признается действительным, если выполняются следующие требования: ${\ displaystyle f (а / ж, ...)}$

${\ displaystyle min (B, a)> 2,5 \ влево ({\ frac {K_ {Q}} {\ sigma _ {\ text {YS}}}} \ right) ^ {2}}$а также ${\ Displaystyle P_ {макс} \ leq 1.1P_ {Q}}$

При испытании материала с неизвестной вязкостью разрушения испытывается образец с полной толщиной сечения материала или размер образца определяется на основе прогноза вязкости разрушения. Если значение вязкости разрушения, полученное в результате испытания, не удовлетворяет требованиям приведенного выше уравнения, испытание необходимо повторить с использованием более толстого образца. В дополнение к этому расчету толщины в спецификациях испытаний есть несколько других требований, которые должны быть выполнены (например, размер кромок среза), прежде чем можно будет сказать, что испытание привело к значению K _IC .

Если испытание не удовлетворяет требованиям к толщине и другим требованиям к деформации плоской поверхности, полученному значению трещиностойкости присваивается обозначение K _c . Иногда невозможно изготовить образец, отвечающий требованиям к толщине. Например, при испытании относительно тонкой пластины с высокой ударной вязкостью может оказаться невозможным изготовить более толстый образец с условиями плоской деформации на вершине трещины.

Определение R-кривой, KR

Образец, показывающий стабильный рост трещины, демонстрирует тенденцию к увеличению вязкости разрушения по мере увеличения длины трещины (пластичное расширение трещины). Этот график зависимости вязкости разрушения от длины трещины называется кривой сопротивления (R). ASTM E561 описывает процедуру определения зависимости вязкости от кривых роста трещин в материалах. Этот стандарт не имеет ограничений по минимальной толщине материала и, следовательно, может использоваться для тонких листов, однако для того, чтобы испытание было действительным, должны быть выполнены требования для LEFM. Критерии для LEFM по существу гласят, что размер в плоскости должен быть большим по сравнению с пластической зоной. Существует неправильное представление о влиянии толщины на форму кривой R. Это намекает на то, что для того же материала более толстое сечение разрушается из-за плоского деформационного разрушения и показывает однозначную вязкость разрушения, более тонкое сечение разрушается из-за плоского деформационного разрушения и показывает восходящую R-кривую. Однако основным фактором, определяющим наклон кривой R, является морфология трещины, а не толщина. В некоторых сечениях материала толщина изменяет морфологию трещин от пластичного разрыва до раскола от тонкого к толстому сечению, и в этом случае только толщина определяет наклон R-кривой. Бывают случаи, когда из-за «слияния микропустот», являющегося режимом разрушения, возникает даже плоское деформационное разрушение с восходящей R-кривой.

Наиболее точный способ оценки кривой KR - это учет наличия пластичности в зависимости от относительного размера пластической зоны. В случае пренебрежимо малой пластичности кривая зависимости нагрузки от смещения получается из испытания, и в каждой точке определяется податливость. Податливость обратно пропорциональна наклону кривой, которая будет наблюдаться, если образец разгружается в определенной точке, что может быть задано как отношение смещения к нагрузке для LEFM. Податливость используется для определения мгновенной длины трещины через соотношение, указанное в стандарте ASTM.

Интенсивность напряжений следует скорректировать путем расчета эффективной длины трещины. Стандарт ASTM предлагает два альтернативных подхода. Первый метод получил название пластической коррекции зоны Ирвина. Подход Ирвина описывает эффективную длину трещины как ${\ displaystyle a _ {\ text {eff}}}$

${\ displaystyle a _ {\ text {eff}} = a + {\ frac {1} {2 \ pi}} \ left ({\ frac {K} {\ sigma _ {YS}}} \ right) ^ {2} }$

Подход Ирвина приводит к итерационному решению, поскольку само значение K является функцией длины трещины.

Другой метод, а именно метод секущей, использует уравнение длины трещины податливости, приведенное в стандарте ASTM, для расчета эффективной длины трещины от эффективной податливости. Податливость в любой точке кривой зависимости нагрузки от смещения по существу является обратной величиной наклона кривой, которая возникает, если образец разгружается в этой точке. Теперь кривая разгрузки возвращается к исходному состоянию для линейно-упругого материала, но не для упругого пластичного материала, поскольку имеется остаточная деформация. Эффективная податливость в точке для упругого пластикового корпуса принимается как наклон линии, соединяющей точку и начало координат (т. Е. Податливость, если материал был упругим). Эта эффективная податливость используется для получения эффективного роста трещины, а остальные расчеты выполняются по уравнению

${\ displaystyle K_ {I} = {\ frac {P} {{\ sqrt {W}} B}} f (a _ {\ text {eff}} / W, ...)}$

Выбор коррекции пластичности зависит от размера пластической зоны. Стандартная кривая сопротивления покрытия ASTM предполагает, что использование метода Ирвина является приемлемым для небольшой пластической зоны, и рекомендует использовать метод Секанта, когда пластичность вершины трещины более заметна. Кроме того, поскольку стандарт ASTM E 561 не содержит требований к размеру образца или максимально допустимому расширению трещины, независимость кривой сопротивления от размера не гарантируется. Немногочисленные исследования показывают, что размерная зависимость менее выявляется в экспериментальных данных для метода Секанта.

Определение J _IC

Скорость выделения энергии деформации на единицу площади поверхности трещины рассчитывается методом J-интеграла, который представляет собой контурный интеграл траектории вокруг вершины трещины, где траектория начинается и заканчивается на любой из поверхностей трещины. Значение J-вязкости означает сопротивление материала с точки зрения количества энергии напряжения, необходимой для роста трещины. Величина ударной вязкости J _IC измеряется для упругопластических материалов. Теперь однозначный J _IC определяется как ударная вязкость вблизи начала расширения вязкой трещины (эффект деформационного упрочнения не важен). Испытание проводится с многократной загрузкой каждого образца на разные уровни и разгрузкой. Это дает соответствие раскрытию устья трещины, которое следует использовать для определения длины трещины с помощью соотношений, приведенных в стандарте ASTM E 1820, который охватывает J-интегральное испытание. Другой способ измерения роста трещин - нанесение на образец метки теплового тонирования или усталостного растрескивания. В конечном итоге образец разбивается на части, и по меткам измеряется расширение трещины.

Проведенное таким образом испытание дает несколько кривых зависимости нагрузки от раскрытия устья трещины (CMOD), которые используются для расчета J следующим образом:

${\ displaystyle J = J_ {el} + J_ {pl}}$

Линейная упругость J рассчитывается с использованием

${\ displaystyle J_ {el} = {\ frac {K ^ {2} \ left (1- \ nu ^ {2} \ right)} {E}}}$и K определяется из того, где B _N - чистая толщина для образца с боковыми канавками и равна B для образца без боковых канавок. ${\ displaystyle K_ {I} = {\ frac {P} {\ sqrt {WBB_ {N}}}} f (a / W, ...)}$

Упругая пластика J рассчитывается с использованием

${\ displaystyle J_ {pl} = {\ frac {\ eta A_ {pl}} {B_ {N} b_ {o}}}}$

Где = 2 для образца СЭНБ ${\ displaystyle \ eta}$

b _o - начальная длина связки, определяемая разницей между шириной и начальной длиной трещины.

A _Pl - пластическая площадь под кривой «нагрузка-смещение».

Для получения предварительного J _Q используется специальный метод обработки данных . Значение принимается, если выполняется следующий критерий

${\ displaystyle \ min (B, b_ {o}) \ geq {\ frac {25J_ {Q}} {\ sigma _ {\ text {YS}}}}}$

Определение сопротивления раздиру (тест на разрыв по Кану)

Тест на разрыв (например, тест на разрыв по Кану) обеспечивает полуколичественную оценку ударной вязкости с точки зрения сопротивления разрыву. Для этого типа испытаний требуется образец меньшего размера, и поэтому его можно использовать для более широкого спектра форм продукции. Испытание на разрыв можно также использовать для очень пластичных алюминиевых сплавов (например, 1100, 3003), где механика линейного упругого разрушения неприменима.

Стандартные методы испытаний

Ряд организаций публикуют стандарты, относящиеся к измерениям вязкости разрушения, а именно ASTM , BSI , ISO, JSME.

• ASTM C1161 Метод испытания прочности на изгиб современной керамики при температуре окружающей среды
• Стандартные методы испытаний ASTM C1421 для определения вязкости разрушения современной керамики при температуре окружающей среды
• ASTM E399 Метод испытаний на вязкость металлических материалов при плоской деформации разрушения
• ASTM E740 Практика испытаний на разрушение с образцами поверхностного растяжения трещин
• ASTM E1820 Стандартный метод испытаний для измерения вязкости разрушения
• Терминология ASTM E1823, относящаяся к испытаниям на усталость и разрушение
• ISO 12135 Металлические материалы - Единый метод испытаний для определения квазистатической вязкости разрушения
• ISO 28079: 2009, метод Палмквиста , используемый для определения вязкости разрушения цементированных карбидов .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

• Андерсон, Т.Л., Механика разрушения: основы и приложения (CRC Press, Бостон, 1995).
• Дэвидж, Р.В., Механическое поведение керамики (Cambridge University Press, 1979).
• Кнотт К.Ф. Основы механики разрушения (1973).
• Суреш С. Усталость материалов (Издательство Кембриджского университета, 1998 г., 2-е издание).