Кіріспе
Кернеу интенсивтілік коэффициенті, онда жарықтың таралуы күрт өседі. Материалдар ғылымында, сыну қаталдығы – өткір жарықтың таралуы кенеттен жылдамдап, шексіз болатын кернеу интенсивтілік коэффициентінің шектік мәні. Компоненттің қалыңдығы жарық ұшындағы шектеу жағдайларына әсер етеді, жұқа компоненттерде жазық кернеу жағдайлары, ал қалың компоненттерде жазық деформация жағдайлары болады. Жазық деформация жағдайлары – материалдың қасиеті болып табылатын ең төменгі сыну қаталдығы мәнін береді. I режимдегі жүктеме кезінде жазық деформация жағдайларында өлшенген кернеу интенсивтілік коэффициентінің шектік мәні жазық деформация бойынша сыну қаталдығы деп аталады. Егер сынақ, жазық деформация жағдайларын қамтамасыз етуге арналған қалыңдық және басқа сынақ талаптарына сәйкес келмесе, алынған сыну қаталдығы мәніне басқа белгі беріледі. Сыну қаталдығы – материалдың жарық таралуына қарсы тұруын сандық түрде білдіру тәсілі және нақты материал үшін стандартты мәндер әдетте қолжетімді. Коррозиялық ортада, шектің үстінде және төменгі деңгейде, баяу және тұрақты жарық таралуы, яғни кернеу коррозиясының жарылуы пайда болуы мүмкін. Шамалы жарық кеңеюі, шаршау кезінде жарықтың өсуі барысында орын алып, қайталама жүктеме циклдарынан кейін жарық біртіндеп өсіп, соңында сыну қаталдығын басып, толық бұзылуға әкелуі мүмкін.
In materials science, fracture toughness is the critical stress intensity factor of a sharp crack where propagation of the crack suddenly becomes rapid and unlimited. A component's thickness affects the constraint conditions at the tip of a crack with thin components having plane stress conditions and thick components having plane strain conditions. Plane strain conditions give the lowest fracture toughness value which is a material property. The critical value of stress intensity factor in mode I loading measured under plane strain conditions is known as the plane strain fracture toughness, denoted When a test fails to meet the thickness and other test requirements that are in place to ensure plane strain conditions, the fracture toughness value produced is given the designation Fracture toughness is a quantitative way of expressing a material's resistance to crack propagation and standard values for a given material are generally available. Slow self sustaining crack propagation known as stress corrosion cracking, can occur in a corrosive environment above the threshold and below Small increments of crack extension can also occur during fatigue crack growth, which after repeated loading cycles, can gradually grow a crack until final failure occurs by exceeding the fracture toughness.
Материалдың өзгеруі
Материал түріМатериалKIc (MPa · m1/2) МеталлАлюминий 14–28Алюминий қорытпасы (7075) 20–35Инконел 718 73–87Мараждық болат (200 сынып) 175Сталь қорытпасы (4340) 50Титан қорытпасы 84–107КерамикалықАлюминий оксиді 3–5Кремний карбиді 3–5Содалы әйнек 0.7–0.8Бетон 0.2–1.4ПолимерПолиметил метакрилат 0.7–1.60Полистирол 0.7–1.1КомпозитМуллит талшықты композит 1.8–3.3Силика аэрогельдер 0.0008–0.0048 Материалдардың сыну қатаңдығы шамамен 4 ретке дейін өзгереді. Металдар сыну қатаңдығының ең жоғары мәндерін сақтайды. Қатаң материалдарда жарықтар оңай тарамайды, бұл металдарды кернеу кезінде жарылуға өте төзімді етеді және олардың кернеу-деформация қисығына пластикалық ағынның кең аймағын сыйлайды. Керамиканың сыну қатаңдығы төмен, бірақ металдарға қарағанда 1,5 есе беріктігі артуына байланысты стресс бойынша сынудың ерекше жақсаруын көрсетеді. Инженерлік керамика мен инженерлік полимерлерді біріктіру арқылы жасалған композиттердің сыну қатаңдығы құраушы материалдардың жеке сыну қатаңдығынан әлдеқайда жоғары.
Fracture toughness varies by approximately 4 orders of magnitude across materials. Metals hold the highest values of fracture toughness. Cracks cannot easily propagate in tough materials, making metals highly resistant to cracking under stress and gives their stress–strain curve a large zone of plastic flow. Ceramics have a lower fracture toughness but show an exceptional improvement in the stress fracture that is attributed to their 1.5 orders of magnitude strength increase, relative to metals. The fracture toughness of composites, made by combining engineering ceramics with engineering polymers, greatly exceeds the individual fracture toughness of the constituent materials.
Астық шекаралары
Материалдағы түйіршіктердің болуы жарықтардың таралу жолына әсер ету арқылы оның беріктігіне де әсер ете алады. Жарық алдында материалдың пластикалық деформациялануы нәтижесінде пластикалық аймақ пайда болуы мүмкін. Осы аймақтан тыс материал серпімді күйінде қалады. Материалдың сыну жағдайлары осы пластикалық және серпімді аймақтардың шекарасында ең қолайлы, сондықтан жарықтар көбінесе сол жердегі түйіршіктің жарылуынан басталады. Төмен температурада, материал толығымен қатайып, мысалы, денеге орталықтандырылған кубтық (BCC) металл сияқты, пластикалық аймақ кішірейеді және тек серпімді аймақ ғана қалады. Мұндай жағдайда жарық түйіршіктердің бірінен соң бірі жарылуы арқылы таралады. Бұл төмен температурада беріктік жоғары болғанымен, сыну деформациясы және жарық ұшының қисықтық радиусы төмен болады, нәтижесінде беріктік төмендейді. Жоғары температурада беріктік төмендеп, пластикалық аймақтың қалыптасуына әкеледі. Жарылу пластикалық-серпімді аймақтың шекарасында басталып, содан кейін негізгі жарық ұшына қосылады. Бұл әдетте түйіршіктердің жарылуы мен талшықты байланыстар деп аталатын түйіршіктердің серпімді деформациялануының араласуы болып табылады. Температураның жоғарылауымен талшықты байланыстардың үлесі артады, толығымен талшықты байланыстарға дейін. Мұндай жағдайда, беріктік төмен болғанымен, серпімді деформацияланудың болуы және жарық ұшының қисықтық радиусының жоғарылауы беріктіктің артуына әкеледі.
Сынау әдістері
Сынған кездегі жітілік сынақтары материалдың жарықтар арқылы бұзылуға қарсы тұруын сандық бағалау үшін жүргізіледі. Мұндай сынақтардың нәтижесінде сынған кездегі жітіліктің бір мәнді шамасы немесе кедергі қисығы алынады. Кедергі қисықтары – сынған кездегі жітілік параметрлерінің (K, J т.б.) жарықтың таралуын сипаттайтын параметрлерге тәуелділігін көрсететін графиктер. Кедергі қисығы немесе сынған кездегі жітіліктің бір мәнді шамасы сыну механизмі мен тұрақтылығына байланысты анықталады. Сындыру жітілігі – инженерлік қолданулар үшін өте маңызды механикалық қасиет. Материалдардың сындыру жітілігін өлшеу үшін әртүрлі конфигурацияда ойықтары бар сынамаларды қолданатын бірнеше сынақ түрлері бар. Көп қолданылатын стандартталған сынақ әдісі – Шарпи соққысына төзімділік сынағы, онда V немесе U пішіндес ойығы бар сынама ойықтың арғы жағынан соққыға ұшыратылады. Сонымен қатар, сынақ үлгілеріне жүктеме түсіру алдында алдын ала жасалған жұқа жарықтармен үш нүктелі иілу сынақтары сияқты жарықтардың орын ауыстыру сынақтары да кеңінен қолданылады.
Үлгі таңдау
Сынған кездегі беріктікті өлшеуге арналған ASTM E1820 стандарты, сынған кездегі беріктікті сынау үшін үш түрлі үлгіні ұсынады: бір жақты иілу үлгісі [SE(B)], тығыз созу үлгісі [C(T)] және дискі тәрізді тығыз созу үлгісі [DC(T)]. Әрбір үлгі конфигурациясы үш өлшеммен сипатталады, атап айтқанда: жарық ұзындығы (a), қалыңдығы (B) және ені (W). Бұл өлшемдердің шамалары, үлгіде жүргізілетін нақты сынақтың талаптарына сәйкес анықталады. Сынақтардың көп бөлігі тығыз немесе үш нүктелі иілу сынақ конфигурациясында жүргізіледі. Бірдей сипаттамалық өлшемдерде, тығыз конфигурация үш нүктелі иілу сынағына қарағанда аз материалды қажет етеді.
Материалдық бағыт
Бүлдірдің бағыты маңызды, себебі көптеген инженерлік материалдардың табиғи түрде изотропты емес қасиеттері бар. Осыған байланысты материалдың ішінде әлсіз жазықтықтар болуы мүмкін, ал жарық осы жазықтық бойымен басқа бағыттарға қарағанда оңайрақ өсуі мүмкін. Осының маңыздылығын ескере отырып, ASTM материалдың өңделу осіне қатысты жарықтың бағытын хабарлаудың стандартталған тәсілін әзірледі. Бойлық, көлденең және қысқа көлденең бағыттарды көрсету үшін L, T және S әріптері қолданылады, мұнда бойлық бағыт өңделу осімен сәйкес келеді. Бағыт екі әріппен анықталады: біріншісі – басты созу кернеуінің бағыты, екіншісі – жарықтың таралу бағыты. Жалпы айтқанда, материалдың беріктігінің ең төменгі шегі жарық өңделу осінің бағытында өсетін бағытта анықталады.
R-керісін анықтау, K-R
Тұрақты жарылуды көрсететін сынамада жарылу ұзындығының артуымен бірге сынған кездегі беріктік те артады (дактильді жарылудың кеңеюі). Сынған кездегі беріктік пен жарылу ұзындығының графигі кедергі (R) қисығы деп аталады. ASTM E561 материалындағы сынға ұшырау қисықтарын анықтау процедурасын сипаттайды. Бұл стандарт материалының ең төменгі қалыңдығына шектеу қоймайды, сондықтан оны жұқа парақтар үшін де қолдануға болады, бірақ сынақтың дұрыстығы үшін LEFM талаптары орындалуы керек. LEFM критерийлері негізінен пластикалық аймаққа қарағанда жазықтықтағы өлшемдері үлкен болуын талап етеді. R қисығының пішініне қалыңдықтың әсері туралы бұрыс түсінік бар. Кейбір пікірлерге сәйкес, қалың бөлік жазық деформация бойынша сынып, бір ғана сынған кездегі беріктік көрсетсе, жұқа бөлік жазық кернеу бойынша сынып, R қисығының өсуін көрсетеді. Дегенмен, R қисығының еңістігін анықтайтын басты фактор – қалыңдық емес, сынық морфологиясы. Кейбір материалдарда қалыңдық сынық морфологиясын жұқадан қалыңға қарай өзгертеді, яғни жұмсақ жарылудан айырылуға дейін, мұндай жағдайда қалыңдық ғана R қисығының еңістігін анықтайды. Бірақ кейде "микробос келісуі" салдарынан жазық деформация бойынша да R қисығының өсуі байқалады. K R қисығын бағалаудың ең дәл жолы – пластикалық аймақтың салыстырмалы өлшеміне байланысты пластикалық деформацияны ескергенде. Пластикалық деформация шамалы болған жағдайда, сынақтан жүктеме-орын ауыстыру қисығы алынып, әрбір нүктеде сәйкестік анықталады. Сәйкестік – бұл үлгі белгілі бір нүктеде босатылғандағы қисықтың еңістігіне кері шама, LEFM үшін жүктемеге қатысты орын ауыстырудың қатынасы ретінде беріледі. Сәйкестік ASTM стандартында келтірілген қатынас арқылы сәтті жарылу ұзындығын анықтау үшін қолданылады. Кернеу интенсивтігін тиімді жарылу ұзындығын есептеу арқылы түзету қажет. ASTM стандарты екі баламалы тәсіл ұсынады. Бірінші тәсіл – Ирвиннің пластикалық аймаққа түзетуі. Ирвиннің тәсілі тиімді жарылу ұзындығын сипаттайды. Ирвиннің тәсілі K өзі жарылу ұзындығының функциясы болғандықтан, итеративті шешімге әкеледі. Екінші тәсіл, атап айтқанда, секант тәсілі, ASTM стандартында келтірілген сәйкестік жарылу ұзындығы теңдеуін тиімді сәйкестік бойынша тиімді жарылу ұзындығын есептеу үшін пайдаланады. Жүктеме-орын ауыстыру қисығының кез келген нүктесіндегі сәйкестік – бұл нүктеде үлгі босатылғанда пайда болатын қисықтың еңістігіне кері шама. Сызықтық серпімді материал үшін босату қисығы бастапқы нүктеге оралады, бірақ серпімді-пластикалық материал үшін оралмайды, себебі тұрақты деформация болады. Серпімді-пластикалық жағдайдағы нақты сәйкестік нүкте мен бастапқы нүктені қосатын түзудің еңістігі ретінде алынады (яғни материал серпімді болғандағы сәйкестік). Бұл тиімді сәйкестік тиімді жарылу өсуін алу үшін қолданылады, ал қалған есептеулер теңдеуге сәйкес жүргізіледі. Пластикалық түзетуді таңдау пластикалық аймақтың мөлшеріне байланысты. Кедергі қисығын қамтитын ASTM стандарты Ирвин тәсілін шағын пластикалық аймақ үшін қолдануға болады дейді және жарылу ұшындағы пластикалық деформация басым болғанда секант тәсілін ұсынады. Сонымен қатар, ASTM E 561 стандартында сынаманың мөлшеріне немесе ең үлкен рұқсат етілген жарылу ұзындығына қатысты талаптар болмағандықтан, кедергі қисығының мөлшерге тәуелсіздігі кепілденбеді. Бірнеше зерттеулер секант тәсілі бойынша эксперименттік деректерде мөлшерге тәуелділіктің аз анықталатынын көрсетіп тұр.
Irwin's approach leads to an iterative solution as K itself is a function of crack length. The other method, namely the secant method, uses the compliance crack length equation given by ASTM standard to calculate effective crack length from an effective compliance. Compliance at any point in Load vs displacement curve is essentially the reciprocal of the slope of the curve that ensues if the specimen is unloaded at that point. Now the unloading curve returns to the origin for linear elastic material but not for elastic plastic material as there is a permanent deformation. The effective compliance at a point for the elastic plastic case is taken as the slope of the line joining the point and origin (i. e the compliance if the material was an elastic one). This effective compliance is used to get an effective crack growth and the rest of the calculation follows the equation
The choice of plasticity correction is factored on the size of plastic zone. ASTM standard covering resistance curve suggests using Irwin's method is acceptable for small plastic zone and recommends using Secant method when crack tip plasticity is more prominent. Also since the ASTM E 561 standard does not contain requirements on the specimen size or maximum allowable crack extension, thus the size independence of the resistance curve is not guaranteed. Few studies show that the size dependence is less detected in the experimental data for the Secant method.
Сырға төзімділігін анықтау (Канның сызатын сынағы)
Жырту сынағы (мысалы, Канның жырту сынағы) жыртуға қарсы тұру арқылы беріктіктің жартылай сандық өлшемін ұсынады. Бұл типтегі сынаққа кішкентай үлгі ғана қажет, сондықтан оны өнімнің әртүрлі формаларында қолдануға болады. Жырту сынағын өте пластикалық алюминий қорытпалары үшін де қолдануға болады (мысалы, 1100, 3003), онда сызықтық серпімділікпен сыну теориясы қолданылмайды.
Сырғаның бұрылуынан қатаю
Көптеген поликристалл құрылымдары бар керамикада жеке кристалдардың ішінде емес, түйіршіктер арасындағы шекаралар бойымен таралатын үлкен жарықтар пайда болады, себебі түйіршік шекараларының беріктігі кристалдардың беріктігінен әлдеқайда төмен. Түйіршік шекараларының беттерінің бағыты және қалдық кернеу жарықтың күрделі, қисық жолмен өрбуіне себеп болады, оны талдау қиын. Осы қисықтықтан туындаған түйіршік шекарасының беттік ауданының артуымен байланысты қосымша беттік энергияны ғана есептеу дұрыс емес, өйткені жарық бетін жасауға жұмсалатын энергияның бір бөлігі қалдық кернеуден түседі.