Breukmechanica (LEFM, YFM)
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).
Lineair-elastische breukmechanica LEFM Vloeiende breukmechanica YFM Normen Scheurgroei metaal Samplevormen Testmachines
Lineair-elastische breukmechanica (LEFM)
Bij lineair-elastische breukmechanica (geschikt voor brosse materialen) is het materiaalgedrag lineair-elastisch tot aan een vervormingsvrije breuk optreedt (onstabiele scheurgroei). Een klassieke karakteristieke waarde bij LEFM is K1C, de kritische (C) spanningsintensiteit (K) bij scheuropeningsmode 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
- 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 het oppervlak, aanwezig in elk onderdeel, stimuleren de vorming van scheurtjes onder belasting. Deze defecten kunnen leiden tot een scheur, m.a.w. macroscopische materiaalschade die technisch geregistreerd kan worden. Dit wordt 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 toestand) of onstabiel (kritische toestand) wanneer componenten cyclisch of monotoon belast worden. Voor brosse materialen wordt de kritische spanningswaarde K1C gedefinieerd. De bepaling ervan is beschreven in ASTM E399. Als de spanningsintensiteit K van de groeiende scheur onder K1C zakt, groeit de scheur stabiel en kan de groei steeds gestopt worden door de belasting te verwijderen. Als de K1C waarde overschreden wordt, treedt onstabiele scheurgroei op en zal het onderdeel plots falen.
De scheurgroeicurve kan onderverdeeld worden in drie zones:
- Gebied I: Drempelwaarde ΔKth
- Gebied II: Vermoeiingsscheurgroei da/dN
- Gebied III: Kritische spanningsintensiteitsfactor K1C (breuktaaiheid)
C(T) sample
De meest gebruikte samplevorm voor breukmechanica is het Compact Tension sample. Het wordt gebruikt voor tests volgens ASTM E399/ E647.
In de normen worden ook andere samplevormen beschreven. Er wordt een keuze gemaakt naargelang 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
