Mechanika pękania (LEBM, FBM)
Mechanika pękania bada rozwój pęknięć, propagację pęknięć i zdolność wychwytywania pęknięć w elemencie lub materiale w warunkach pracy (funkcja, żywotność, ...). Wyznaczone parametry materiałowe z uwzględnieniem funkcji czasu naprężenia mają wpływ na projekt i produkcję komponentu.
Mechanika pękania odgrywa ważną rolę w wielu dziedzinach przemysłu, takich jak lotnictwo czy budowa samochodów. Oceniając żywotność ewent. czas użytkowania pękniętych komponentów, można szczegółowo określić częstotliwość przeglądów i konserwacji.
Rozróżnia się dwie koncepcje, Liniowo-sprężysta mechanikę pękania (LEBM) i Przepływową mechanikę pękania(FBM).
Liniowo-sprężysta mechanika pękania LEBM Przepływowa mechanika pękania FBM Normy Roztłaczanie rysy Metal Kształty prób Maszyny wytrzymałościowe
Liniowo-sprężysta mechanika pękania (LEBM)
W liniowo - elastycznej mechanice pękania LEBM (odpowiedniej dla materiałów kruchych) materiał zachowuje się liniowo - elastycznie, dopóki nie pęknie bez odkształcenia (niestabilna propagacja pęknięć). Klasyczną cechą mechaniki pękania liniowo-sprężystego jest K1C, która opisuje krytyczną (C) intensywność naprężenia (K) w trybie otwarcia pęknięcia 1.
Mechanika pękania przepływowego (FBM)
Jeśli jednak materiał ulegnie zniszczeniu w sposób plastyczny, tj. z odkształceniem plastycznym wokół wierzchołka pęknięcia, stosuje się koncepcję mechaniki pękania przepływowego . Istnieją tu dwie definicje, jedna polega na określeniu wartości charakterystycznych na podstawie energii zgromadzonej w obszarze wierzchołka pęknięcia (koncepcja całki J), a druga polega na rozszerzeniu wierzchołka pęknięcia (CTOD „crack tip opening displacement“).
Odpowiednie normy
- ASTM E399-09 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K1C of Metallic Materials
- ASTM E647 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue crack growth rates (da/dN)
- ASTM E1820-11 – Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness (metals)
- ISO 12135 - Ujednolicona metoda badawcza do określania quasi-statycznej odporności na pękanie
Propagacja pęknięć w elementach metalowych
Defekty produkcyjne w elemencie lub na powierzchni komponentu, które występuje w każdym elemencie, reprezentują zarodki pęknięć, które sprzyjają powstawaniu pęknięć pod obciążeniem. Wady te mogą skutkować pęknięciem, czyli makroskopowym uszkodzeniem materiału, które można technicznie wykryć. Nazywa się to fazą inicjacji pęknięcia.
W następnej fazie propagacji pęknięcia pęknięcie w elemencie trwa do momentu, gdy intensywność naprężenia K przed wierzchołkiem pęknięcia przekroczy wartość krytyczną i element nagle ulegnie zniszczeniu.
Pęknięcia rozprzestrzeniają się w elementach obciążonych monotonicznie lub cyklicznie, w stanie stabilnym (stan przedkrytyczny) lub niestabilnym (stan krytyczny). W przypadku materiałów kruchych można określić zmienną obciążenia krytycznego K1C , której wyznaczanie opisano w ASTM E399 . Jeżeli intensywność naprężenia K rosnącego pęknięcia jest niższa od K1C, pęknięcie rozprzestrzenia się stabilnie i może zostać zatrzymane w dowolnym momencie po odciążeniu. Jeśli wartość K1C zostanie przekroczona, następuje niestabilny rozwój pęknięć i nagłe uszkodzenie elementu.
Krzywą wzrostu pęknięć można podzielić na trzy obszary:
- Zakres I: Wartość progowa ΔKth
- Zakres II: Wzrost pęknięcia zmęczeniowego da/dN
- Zakres III: Krytyczny współczynnik intensywności naprężenia K1C (Odporność na pękanie rysy)
Próba C(T)
Kształtem próbki najczęściej stosowanym w mechanice pękania to Compact Tension Probe. Te służą do badania zgodnie z ASTM E399 / E647.
W normach wymienione są także poniższe przykładowe kształty próbek. Dobiera się je w zależności od branży i dostępnych materiałów wyjściowych:
- Próba M(T) Middle tension do badania zgodnie z ASTM E647
- Próba ESE(T) Eccentrically loaded single edge crack tension – Próba do badania zgodnie z ASTM E647
- Próba SE(B) Single edge bend do badania zgodnie z ASTM E399
- Próba DC(T) Disc-Shaped Compact Tension do badania zgodnie z ASTM E399
- Próba A(T) Arc-Shaped tension do badania zgodnie z ASTM E399
- Próba A(B) Arc-Shaped bend do badania zgodnie z ASTM E399
