Sitkeys on kyky materiaalia vastustamaan etenemisen halkeaman .
Sitkeys voidaan määritellä myös energiamääräksi, jonka materiaali voi absorboida ennen rikkoutumista, mutta tämä on englanninkielinen määritelmä. Englanniksi erotellaan " sitkeys ", muodonmuutosenergia murtumalla tilavuusyksikköä kohden ( J / m 3 , joka vastaa myös passeja ) ja " sitkeysmurtuma ", sitkeys halkeamien leviämisen vastustuskyvyssä. Ei todellakaan ole mitään universaalia suhdetta, joka sitoisi vikajännitysenergian ja halkeamien etenemisen vastustuskyvyn, joilla ei lisäksi ole lainkaan samaa yksikköä.
Materiaalin sitkeys antaa stressin (Pascal-muodossa), jonka tästä materiaalista valmistettu rakenne kestää, jos sillä on tietyn pituinen halkeama. Sitkeys ilmaistaan tämän pituuden neliöjuurella. Materiaalin sitkeys ilmaistaan siis pa m ½: na .
Materiaalin sitkeys ei ole tiukassa korreloinnissa sen haurauden / sitkeyden kanssa (jälkimmäinen määritetään suhteellisen murtovenymällä ilman yksikköä). On olemassa pallografiittiseoksia, joiden sitkeys on matalampi kuin monia hauraita teknisiä keraamikoita. Esimerkiksi volframikarbideilla on sama sitkeys kuin lyijyseoksilla, erittäin sitkeät materiaalit, mutta ne ovat hauraita.
Sitkeyden käsite juontaa juurensa 1920-luvulle ja johtuu yleensä Alan Arnold Griffithistä . Tutkimuksissaan lasin rikkoutumisesta hän pystyi havaitsemaan, että lasilevyn murtojännitys ( ) korreloi suoraan suurimman läsnä olevan halkeaman neliöjuuren kanssa ( ). Siten tuote on materiaalikohtainen vakio.
Halkeamasta johtuvaa osan epäonnistumista tulisi verrata jännityskeskittymän ilmiöön . Kun levyssä on vika, kuten reikä ("reikä") tai lovi, jännitys välittömän läheisyydessä on paljon suurempi kuin vika kaukana oleva vika. Sanomme, että stressi on keskittynyt sinne (kuva 1). Vian lähellä olevan maksimijännityksen ja kaukana olevan jännityksen (kaukana virheestä) suhdetta kutsutaan "jännityskeskittymiskertoimeksi" (yksikköön). Perusteella, että mekaniikan jatkuvan materiaalin tämä tekijä voi laskea analyyttisesti, kautta tai elementtimenetelmää. Vaikuttaa siltä, että tämä tekijä on vian pituuden neliöjuuren ja loven pohjan kaarevuussäteen neliöjuuren käänteisfunktio.
Jos materiaalilla on oma murtumisjännitys eli suurin jännitys, jonka se kestää pienimmän vian puuttuessa, tämä vastaa siis laadullisesti Griffithin havaintoa näennäisen jännityksen tuotteen pysyvyydestä (kaukana virheestä) ) ja vian pituuden juuret.
Halkeama on kuitenkin vika, jolla on lähes atomisen loven kärjen kaarevuussäde. Vaikka molekyylidynamiikka pystyy toistamaan tämän stressikonsentraation käsitteen atomimittakaavassa, jatkuvan väliaineen mekaniikka ei voi kvantitatiivisesti kuvata halkeamasta johtuvaa jännityskonsentraatiota: lähes kaatomisella kaarevuussäteellä, siis lähes nolla, jännityskonsentraatio lasketaan siellä lähes loputtomana.
Georges Rankin Irwinin työryhmän työn jälkeen vuonna 1957 otettiin käyttöön stressiintensiteetit . Murtumaa esittävän rakenteen jännityskenttä voidaan kirjoittaa termin, joka riippuu vain avaruuskoordinaateista, ja sellaisen termin tulona, joka riippuu pääasiassa särön pituudesta ja neliöjuuresta. Tätä viimeistä usein mainittua termiä kutsutaan stressin intensiteettikertoimeksi ja se ilmaistaan pa m ½: na .
Vertailussa, jolla on halkeaman kärki ja akselille x halkeaman akseli, jännitysten tensori kirjoitetaan napakoordinaateissa ( r, θ ) sijaitsevaan pisteeseen :
missä f ij on kulman funktio.
Yksi erottaa kolme halkeaman jännitystapaa (kuva 2):
Joten on 3 jännitysintensiteetti tekijät : , ja . Nämä tekijät riippuvat todellisuudessa halkeaman sijainnista (varsinkin jos se ilmestyy pinnalle tai ei). Pituuden halkeamalle ja äärettömälle osalle jännityksen intensiteettikerroin on arvoinen:
Y : geometrinen kerroin ilman yksikköä halkeaman muodosta (mutta ei sen koosta) riippuen.Ensimmäinen murtumakriteeri mekaniikassa, että murtuma tarkoittaa sanomista, että halkeama on edennyt, koska jännityksen intensiteettikerroin on saavuttanut kriittisen arvon, jota kutsutaan kriittiseksi jännityksen intensiteettikertoimeksi tilassa I, II tai III, tai yleisemmin " sitkeydeksi " tila I, II tai III. Tämä kriittinen arvo on materiaalin ominaisuus riippumatta rakenteellisista vaikutuksista, kuten halkeaman pituudesta.
Ikkunalasin sitkeys on alle 1 MPa m ½, ja useimmat tekniset keramiikat ylittävät harvoin 10 MPa m ½, jos jotkut metallit voivat saavuttaa jopa 200 MPa m ½ huoneenlämmössä.
Sitkeyden määrittämiseksi kokeellisesti käytetään ennalta lovettua koenäytettä, joka rikkoutuu arvioimaan sen kestävyys tämän vian etenemiselle. Testikappaleille tehdään useimmiten 3 tai 4 pisteen taivutustesti , kuten SENB: lle (Single Straight Notch Beam tai Single Edge Notch Beam ), CNB: lle ( Chevron Notch Beam tai Chevron Notch Beam ) tai SEPB: lle ( Single Edge Pre-Cracked) Palkki ). SENB- ja CNB-menetelmät koostuvat loven työstämisestä, kun taas SEPB-menetelmä halkeaman luomisesta sisennyksellä . Sitkeys arvioidaan joko murtovoimalla tai murtumalla tehdyllä mekaanisella työllä ( elastinen energia ). Esimerkiksi CNB-testissä 3 pisteen taipumisessa:
Murtokuormitus, ja leveys ja korkeus näytteen, ja tekijä, kun otetaan huomioon loven geometria. Toisaalta ottamalla voima / taipumakäyrän alla olevan alueen (siis mekaanisen työn) vikaantumiseen saakka voimme myös arvioida sitkeyden seuraavasti:
säröillä oleva pinta ja tasojännityksen ollessa kyseessä: