Breukmechanica
Breukmechanica onderzoekt scheurgroei, scheurpropagatie en scheurarrestabiliteit in een component of materiaal bij gebruiksomstandigheden (functie, levensduur, ...). De gemeten materiaaleigenschappen beïnvloeden, rekening houdende met de spanning-tijd functie, het ontwerp en de productie van een onderdeel.
Breukmechanica speelt een grote rol in vele industriële sectoren zoals lucht- en ruimtevaart of de automobielindustrie. Door het inschatten van de levensduur of resterende gebruiksperiode van scheurgevoelige onderdelen (of materialen) kunnen inspectie- en onderhoudsintervallen op een doelgerichte manier bepaald worden.
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen twee concepten: linear-elastic fracture mechanics (LEFM) en yielding fracture mechanics (YFM).
Concepten van de breukmechanica
Bij lineair-elastische breukmechanica (geschikt voor brosse materialen) is het materiaalgedrag lineair elastisch tot een vervormingsvrije breuk (onstabiele scheurpropagatie) optreedt. Een klassieke karakteristieke waarde uit LEFM is K1C, de kritische (C) spanningsintensiteit (K) bij scheuropening mode 1.
Vloeiende breukmechanica (YFM)
Als de materiaalbreuk ductiel is, dus met plastische vervorming ter hoogte van de scheurtip, wordt het concept van de vloeiende breukmechanica toegepast. Er bestaan twee definities: een voor de bepaling van de karakteristieke waarden via de energie opgeslagen in de omgeving van de scheurtip (J-integraal concept) en een andere via meting van de opening van de scheur (CTOD “crack tip opening displacement”).
Relevante normen voor breukmechanica
- ASTM E399-09 - Standaard testmethode voor lineair-elastische scheurweerstand in het vlak K1C op metalen
- ASTM E647 – Standaard testmethode voor meting van scheurgroeisnelheden (da/dN)
- ASTM E1820-11 – Standaard testmethode voor meting van de scheurweerstand (metalen)
- ISO 12135 - Uniforme testmethode voor de bepaling van quasistatische scheurweerstand
Scheurgroei in metalen onderdelen
Productiegerelateerde defecten in een component of in het oppervlak van een component, in elke component aanwezig, zijn scheurkiemen die de vorming van scheuren onder belasting in de hand werken. Deze defecten kunnen in een scheur veranderen, dus macroscopische materiaalschade die technisch geregistreerd kan worden. Dit wordt ook de scheurinitiatie genoemd.
In de daaropvolgende scheurgroeifase, zet de scheur zich verder in het onderdeel tot de spanningsintensiteit K voor de scheurtip een kritische waarde overschrijdt en het onderdeel abrupt breekt.
Een scheur groeit stabiel (pre-kritische status) of onstabiel (kritische status) in monotoon of cyclisch belaste componenten. Voor brosse materialen kan de kritische spanningsgrootte K1C vastgelegd worden. De bepaling ervan is beschreven in ASTM E399. Als de spanningintensiteit K van de groeiende scheur beneden K1C ligt, dan groeit de scheur stabiel en kan ze op elk moment gestopt worden wanneer de belasting weggenomen wordt. Als de K1C waarde overschreden wordt, treedt onstabiele scheurgroei op en zal het onderdeel abrupt breken.
De scheurgroeicurve kan onderverdeeld worden in drie zones:
C(T) sample
De meest gebruikte vorm in breukmechanica is het compact tension sample. Het wordt gebruikt voor tests volgens ASTM E399 / E647.
In de normen worden ook andere vormen beschreven. Ze worden geselecteerd in functie van de sector en het beschikbare materiaal:
- M(T) sample - Middle tension sample voor tests volgens ASTM E647
- ESE(T) sample - Eccentrically loaded single edge crack tension sample voor tests volgens ASTM E647
- SE(B) sample - Single-edge bend sample voor tests volgens ASTM E399
- DC(T) sample - Disc-shaped compact tension sample voor tests volgens ASTM E399
- A(T) sample - Arc-shaped tension sample voor tests volgens ASTM E399
- A(B) sample - Arc-shaped bend sample voor tests volgens ASTM E399
