Испытания на рост трещины CTOD (Crack Tip Opening Displacement)

Все материалы во время эксплуатации неизбежно изнашиваются и разрушаются. Потеря ими целостности обычно начинается с появления трещин, которые постепенно увеличиваются и приводят к деформации, разрыву или излому рабочего полотна. Следствием таких процессов становится снижение функциональности или выход из строя конструкции. Оба результата в сочетании с неблагоприятными условиями (размещением под водой, повышенной сейсмической активностью, вечной мерзлотой или экстремальной жарой) способны спровоцировать возникновение аварийной ситуации, что крайне нежелательно, особенно если дело касается ответственных объектов, изделий или узлов — суден, самолётов, трубопроводов, буровых установок, балочных перекрытий, систем боевого и другого назначения.

Для предупреждения опасных проявлений многие производители прибегают к тестированию материалов, выходящему за рамки традиционного анализа их свойств. К категории таких испытаний принадлежит и CTOD — оценка трещиностойкости образца. Как делается данный тест и что нужно для его реализации, пойдёт речь далее.

CTOD: что это за испытание и какие величины даёт возможность определить

CTOD является одним из представителей семейства тестов, позволяющих изучать механику разрушения материала. Его название расшифровывается как Crack Tip Opening Displacement и переводится с английского языка как «смещение отверстия наконечника трещины». Оно отображает, во-первых, преследуемую во время испытания цель — определение параметров механических свойств разрушения пластичного материала, а во-вторых, суть процесса тестирования — имитированное открытие усталостной, то есть образовавшейся ранее трещины до наступления момента разрушения материала.

Проще говоря, CTOD — это нанесение на полнотолщинный образец трещины, её последующее искусственное утомление и создание условий для дальнейшего раскрытия. Наряду с осуществлением перечисленных процессов данное испытание предполагает измерение количественных параметров вязкости разрушения, а именно:

·        δ — относительного смещения поверхностной трещины в её вершине перпендикулярно к её исходной плоскости, то есть смещения, раскрывающего трещину;

·        δc — раскрытия вершины трещины на первоначальном этапе приложения нагрузки;

·        δm — вязкого и стабильного роста трещины вплоть до начала разрушения образца при максимальной нагрузке;

·        δu — хрупкого излома материала вследствие медленного (вязкого) роста трещины.

Эти величины дают возможность определить критический размер дефекта в виде трещины, оценить допустимые границы прилагаемых нагрузок и тем самым измерить степень сопротивления образца росту трещин. Чем больше получаются значения, тем длиннее трещины и выше нагрузки может выдерживать материал и/или конструкция в ходе эксплуатации.

Порядок проведения испытаний на CTOD

Испытание материала на CTOD — процесс многокомпонентный. В упрощённом виде его можно представить как реализацию четырёх этапов.

       I.            Механическая подготовка образца. Заключается в обеспечении образца соответствующими номенклатуре параметрами и выполнении надреза необходимой длины, глубины, направленности. Обычно осуществляется в условиях, идентичных условиям эксплуатации изучаемого материала.

     II.            Принудительное утомление образца с целью инициирования его растрескивания. Выполняется путём приложения нагрузок и смены интенсивности напряжений в режиме, указанном в соответствующем спецификации тестирования национальном стандарте.

III.            Разрушение образца в контролируемых монотонных условиях. Происходит при статической температуре под воздействием возрастающей нагрузки.

IV.            Определение значения CTOD. Проводится после пост-анализа образца и обработки полученных результатов. Учитываются величины нагрузок, размеры образца и трещины, коэффициент отравления, пластичный компонент и другие данные. Вычисления делаются по специальной формуле.

Данный алгоритм отображает только основные составляющие испытания на CTOD. Детализация же полностью зависит от персонализированной спецификации тестирования.

Оборудование для испытания материалов на трещиностойкость CTOD

Тестирование конструкционных сталей, сварных соединений и прочих металлических и неметаллических материалов на раскрытие в вершине трещины требует использования специального оборудования. Лучшими из этой категории по праву считаются сервогидравлические системы MTS Landmark, которые позволяют решить весь комплекс связанных с испытаниями на CTOD задач:

·        обеспечить необходимые для проведения теста условия посредством масштабируемых контроллёров FlexTest, дающих возможность устанавливать точные настройки, регулировать рабочие процессы и выполнять сбор результатов;

·        реализовать ход испытания, то есть утомить до определённого уровня образец, инициировать появление и развитие трещины, довести раскрытие трещины до разрушения материала;

·        систематизировать и проанализировать результаты, а также определить значение CTOD путём применения программного обеспечения MTS TestSuite™ либо TestWorks®.

Сервогидравлические машины MTS Landmark отличаются высокой производительностью и многофункциональностью. Они рассчитаны на широкий диапазон нагрузок (от 3,3 кН до 2000 кН), образцы разных размеров и разной прочности, испытания с разными климатическими требованиями. Преимуществом является и то, что данное оборудование позволяет не только измерять величину CTOD, но и проводить большой спектр других тестов, актуальных в нефтегазовой, судостроительной, авиационной и прочих сферах промышленности.