додаток В

(ДОВІДКОВИЙ)

вказівки щодо оцінки розростання тріщини за допомогою механіки руйнування

Annex B

[INFORMATIVE]

Guidance on assessment of crack growth by fracture mechanics

B.1 Сфера застосування

B.1 Scope

(1) Метою цього додатку є надання інформації щодо застосування механіки руйнувань для оцінки розростання втомних тріщин з плоских гострих неоднорідностей. Головним чином це стосується оцінки наступного:

– вже відомі дефекти (включаючи втомні тріщини, виявлені під час експлуатації);

– допустимі дефекти (включаючи розгляд початкового з’єднання або меж виявлення дефектів за допомогою неруйнівних випробувань);

– стійкість до дефектів (включаючи оцінку придатності до цільового використання дефектів, спеціально створених для певних вимог функціонування).

(1) The objective of this annex is to provide information on the use of fracture mechanics for assessing the growth of fatigue cracks from sharp planar discontinuities. Main uses are in the assessment of:

– known flaws (including fatigue cracks found in service);

– assumed flaws (including consideration of the original joint or NDT detection limits);

– tolerance to flaws (including fitness for purpose assessment of fabrication flaws for particular service requirements).

(2) Метод охоплює нормальне розростання втомних тріщин у напрямку головного розтягуючого напруження (Метод 1).

(2) The method covers fatigue crack growth normal to the direction of principal tensile stress (Mode 1).

B.2 Принципи

B.2 Principles

B.2.1 Розміри тріщин

B.2.1 Flaw dimensions

(1) Допускається, що розповсюдження втоми починається з вже існуючого плоского дефекту з гострою тріщиною, яка зазвичай розростається у напрямку діапазону головного розтягуючого напруження в даній точці.

(1) Fatigue propagation is assumed to start from a pre-existing planar flaw with a sharp crack front orientated normal to the direction of principle tensile stress range at that point.

(2) Розміри вже існуючих дефектів показані на рисунку B.1. Показані дефекти розподіляються на ті, що створюють розлом поверхні, і на ті, що повністю знаходяться всередині матеріалу.

(2) The dimensions of the pre-existing flaws are shown in Figure B.1 depending on whether they are surface breaking or fully embedded within the material.

a) дефект, що створює розлом поверхні

1 –вільна поверхня; 2 – дефект

a) Surface braking flaw

1 – free surface; 2 – flaw

b) дефект, що знаходиться всередині матеріалу

b) Embedded flaw

Рисунок

B.1 –

_{Існуючий до виникнення тріщини плоский дефект}

_Figure

_B.1–

_{Pre-existing planar flaw}

B.2.2 Співвідношення росту тріщини

B.2.2 Crack growth relationship

(1) Під впливом діапазону циклічних напружень фронт тріщини переміщується вглиб матеріалу відповідно до закону розповсюдження тріщини. В напрямку 'a' рівень розповсюдження визначається за формулою:

(1) Under the action of cyclic stress range the crack front will move into the material according to the crack propagation law. In the direction of 'a' the rate of propagation is given by:

(B.1)

Де:

– матеріальна константа рівня розростання втомної тріщини (РРВТ);

– показник ступеня розростання тріщини

– геометричний коефіцієнт тріщини, який залежить від форми тріщини, орієнтації та розмірів границі поверхні.

where:

is the fatigue crack growth rate (FCGR) material constant;

is the crack growth rate exponent;

is the crack geometry factor depending on the crack shape, orientation and surface boundary dimensions.

Примітка. Одиниці для коефіцієнтів інтенсивності напруження– Нмм^-2 м^0,5 [МПа м^0,5], а для рівня розростання тріщини – [м/цикл].

NOTE: The units for stress intensity factors are Nmm^-2 m^0,5 [MPa m^0,5] and for crack growth rate is [m/cycle]. Data given in B.3 are only valid for these units.

(2) Це можна записати за допомогою формули:

(2) This can be rewritten in the form

(B.2)

де

– діапазон інтенсивності напруження, що дорівнює .

where

is the stress intensity range and equals .

(3) Після прикладення циклів діапазону напружень тріщина зросте з розміру до розміру у відповідності з наступним інтегруванням:

(3) After the application of cycles of stress range the crack will grow from dimension to dimension according to the following integration:

(B.3)

(4) У загальному випадку , та залежать від .

(4) For the general case , and are dependent on .

B.3 Значення розростання тріщини та

B.3 Crack growth data and

(1) and отримуються з вимірювань розростання тріщини на стандартних зразках з надрізом, орієнтованих у напрямку , або (наприклад, як на рисунку B.2), з використанням стандартизованих методик випробувань. Розрахунок зразка повинен бути таким, щоб було доступне правильне визначення коефіцієнту інтенсивності напруження ( ) (наприклад, співвідношення між прикладеним навантаженням та розміром тріщини ' ').

(1) and are obtained from crack growth measurements on standard notched specimens orientated in the , or direction (e.g. see Figure B.2) using standardised test methods. The specimen design should be one for which an accurate stress intensity factor ( ) solution (i.e. the relationship between applied action and crack size ' ') is available.

Примітка. Подальша інформація щодо стандартизованих методик випробувань міститься у бібліографії, B.1.

NOTE: For further information on standardised test methods see Bibliography B.1.

1 – діаметр отвору; 2 – зміщення отвору;
3 –збільшення; 4 – початкова втомна тріщина Рекомендована товщина

1 – hole diameter; 2 – mouth opening displacement;
3 – increment; 4 – fatigue pre-crackRecommended thickness

Рисунок

B.2 –

_{Типовий зразок розростання тріщини (приклад з посил.B.3)}

_Figure

_B.2–

_{Typical crack growth specimen (example from ref. B.3)}

(2) Випробування проводяться під впливом контрольованого комп’ютером циклічного навантаження на зразку при постійному співвідношенні інтенсивності прикладеного напруження , як для постійної умови випробування , так і для для постійної умови випробування , при точному вимірюванні розростання тріщини по надрізу.

(2) The tests are carried out under computer controlled cyclic action of the specimen at constant applied stress intensity ratio , for either constant or constant testing conditions and accurate measurement of the growth of the crack from the notch.

Примітка. Подальша інформація щодо стандартизованих методик випробувань міститься у бібліографії, B.2.

NOTE: For further information on testing conditions see Bibliography B.2.

(3) Якщо дискретні значення довжини тріщини отримані, то для розташування даних використовується плавна крива, при застосувунні методу, що визначений в стандарті випробування. Рівень розростання тріщини при заданій довжині тріщини вираховується як градієнт кривої при певному значенні.

(3) If discrete values of crack length are obtained, a smooth curve is fitted to the data using the method specified in the test standard. The crack growth rate, , at a given crack length is then calculated as the gradient of the curve at that a value.

(4) Відповідне значення діапазону коефіцієнту інтенсивності напруження отримується з допомогою відповідного рішення для випробуваного зразку в поєднанні з дією діапазону прикладеного навантаження. Результати співвідношення та нанесені на графік за допомогою логарифмічної шкали.

(4) The corresponding value of the stress intensity factor range, , is obtained using the appropriate solution for the test specimen, in conjunction with the applied action range. The results versus are plotted using logarithmic scales.

(5) Для загального використання криві розростання можуть застосовуватися для різних значень . Рисунок B.3 демонструє типовий приклад по відношенню до кривих для деформованого сплаву алюмінію EN AW-6005A T6. На рисунку B.3(a) умовою випробування було постійне співвідношення інтенсивності напруження , а на рисунку B.3(b) результати випробування при постійному значенні =10 Нмм^-2м^0,5 поєднується зконсервативними гілками кривої з рисункуB.3(a). Ця комбінація результатів постійного значення та постійного значення є консервативним інженерним наближенням і може використовуватися для передбачення втомної міцності у випадку значних залишкових розтягуючих напружень або недостатніх вимірів втомної тріщини. Значення та для рис. B.3 надані у таблицях В.1(а) та (b).

(5) For general use, crack growth curves may be required for different values. Figure B.3 shows a typical set of versus curves for the aluminium extrusion alloy
EN AW-6005A T6. In Figure B.3(a) the testing condition was constant ratio of stress intensity , and in Figure B.3(b) the result of a test at constant = 10 Nmm^-2m^0,5 is combined with the conservative branches of the curves from Figure B.3(a). This combination of the results of the constant and constant data is a conservative engineering approximation and can be used for the fatigue life prediction in case of high residual tensile stresses or short fatigue crack evaluations. The values of and for Figure B.3 are given in Tables B.1(a) and (b).

(6) На рисунку B.4(a) нанесене на графік постійне значення R-РРВТ кованих алюмінієвих сплавів = 0,1, а на рисунку B.4(b) вказані відповідні дані для постійного значення = 0,8. На рисунку B.5 показані постійні R-РРВТ криві трьох сплавів кокільного лиття при R = 0,1 та
=0,8. На рисунку B.6 показані комбіновані дані постійних значень та для випробувань кованих алюмінієвих сплавів = 0,1 та = 0,8. Значення та верхньої границі РРВТ покриття, показані на малюнках B.4 - B.6, також надані у таблицях B.2 - B4 відповідно.

(6) In Figure B.4(a) the constant R-FCGR of wrought aluminium alloys of = 0,1 are plotted and in Figure B.4(b) the corresponding data for constant = 0,8 are added. Figure B.5 shows the set of constant R-FCGR curves of three gravity die cast alloys at = 0,1 and
= 0,8. Figure B.6 represents the combined data of constant R and constant - tests of wrought aluminium alloys for = 0,1 and
= 0,8. The values of and of the upper bound FCGR envelopes shown in Figs. B.4 to B.6 are given in Tables B.2 to B4 respectively.

Примітка. Подальша інформація щодо співідношення та надана у Бібліографії, B.3 та B.4

NOTE: For further versus data see Bibliography B.3 and B.4.

(7) Зовнішній вплив корозії може впливати на та . Результати випробувань, отримані при умовах вологості навколишнього середовища, здатні охоплювати більшість нормальних атмосферних умов.

(7) Corrosive exposure conditions can effect and . Test data obtained under conditions of ambient humidity will be adequate to cover most normal atmospheric conditions.

B.4 Геометрична функція y

B.4 Geometry function y

(1) Геометрична функція y залежить від геометрії тріщини (форми та розміру), розмірів границь поверхні оточуючого матеріалу і моделі напруження в зоні шляху тріщини.

(1) The geometry function y is dependent on the crack geometry (shape and size), the boundary dimensions of the surface of the surrounding material and the stress pattern in the region of the crack path.

(2) Дана інформація може бути отримана з розрахунку кінцевих елементів конструкійної деталі з використанням елементу., що містить вершину тріщини. Інтенсивність напруження для різних довжин тріщини визначається за допомогою інтегралу . Альтернативним шляхом вона може бути визначенна через переміщення, поле напруження навколо краю тріщини або загальну енергію пружної деформації.

(2) This information can be obtained from finite element analyses of the constructional detail using crack tip elements. The stress intensity for different crack lengths is calculated using the integral procedure. Alternatively it can be calculated from the displacement or stress field around the crack tip, or the total elastic deformation energy.

(3) Розповсюджені рішення для загально використовуваних геометричних характеристик (гладкий матеріал та зварні шви) – це альтернативне джерело значень . Стандартні дані часто надаються в показниках , де . Типовий приклад тріщини на гладкій плиті, що призводить до розлому поверхні, надається на рисунку B.7(a). Якщо тріщина знаходиться на кромці шва на поверхні плити, то подальша корекція впливу концентрації місцевого напруження може виконуватися за допомогою коефіцієнту збільшення (див. рисунок B.7(b)).

(3) Published solutions for commonly used geometries (plain material and welded joints) are an alternative source of values. Standard data are often given in terms of where . A typical example for a surface breaking crack in a plain plate is shown in Figure B.7(a). If the crack is located at a weld toe on the plate surface then a further adjustment for the local stress concentration effect can be made using the magnification factor (see Figure B.7(b)).

Примітка. Подальша інформація щодо розповсюджених рішень знаходиться у Бібліографії, B.1 та B.5.

NOTE: For further information on published y solutions see Bibliography B.1 and B.5.

(4) Результат Y для гладкої плити та для кромки зварного шва надає варіації y в процесі розростання тріщини углиб товщини матеріалу (див. рисунок B.7.(c)).

(4) The product of Y for the plain plate and for the weld toe gives the variation of y as the crack grows through the thickness of the material (see Figure B.7.(c)).

B.5 Інтеграція розростання тріщини

B.5 Integration of crack growth

(1) Для загального випадку історії напружень змінної амплітуди повинен визначатися спектр напруження (див. 2.2.1).На практиці повний спектр повинен прикладатися як мінімум в 10-ти однакових послідовностях з однаковими діапазонами напружень та коефіцієнтами напруження , але при одній десятій кількості циклів. Блок з найбільшим діапазоном напружень повинен прикладатися першим в кожній послідовності (див. рисунок A.3). Розростання тріщини, що збільшується, вираховується за допомогою полігону розростання тріщини для відповідного коефіцієнту напруження для кожного блоку циклів напружень постійної амплітуди.

(1) For the general case of a variable amplitude stress history, a stress spectrum has to be derived (see 2.2.1). In practice the complete spectrum should be applied in at least 10 identical sequences with the same stress ranges and ratios, but with one tenth of the number of cycles. The block with the greatest stress range should be applied first in each sequence (see Figure A.3). The incremental crack growth is calculated using the crack growth polygon for the appropriate -ratio, for each block of constant amplitude stress cycles.

(2) Якщо невідомий дійсний шлях залишкового напруження, то поблизу зварних швів необхідно використовувати високий коефіцієнт напруження ( = 0,8) або криву постійного розростання тріщини _.

(2) In the region of welds, unless the residual stress pattern is actually known, either a high -ratio ( = 0,8) or a constant crack growth curve should be used.

(3) Довжина тріщини ' ' інтегрується на цю основу до досягнення максимального розміру тріщини та підрахування числових значень.

(3) The crack length ' ' is integrated on this basis until the maximum required crack size is reached and the numbers calculated.

B.6 Оцінка максимального розміру тріщини

B.6 Assessment of maximum crack
size

(1) Ця величина зазвичай визначається на основі пластичного розриву робочого перерізу під максимальним прикладеним розтягуючим навантаженням з відповідним частковим коефіцієнтом, див. EN 1999-1-1.

(1) This will usually be determined on the basis of net section ductile tearing under the maximum applied tensile action with the appropriate partial factor, see EN 1999-1-1.