Muestra de tensión compacta

Esquema y dimensiones de una probeta compacta a tensión.

Una muestra compacta a tensión ( CT ) es un tipo de muestra con muescas estándar de acuerdo con las normas ASTM ^[1] e ISO ^[2] . Las muestras compactas de tensión se utilizan ampliamente en el área de la mecánica de fracturas y pruebas de corrosión , para establecer datos de tenacidad a la fractura y crecimiento de grietas por fatiga para un material.

El propósito de usar una muestra con muescas es crear una grieta por fatiga aplicando una carga cíclica a través de pasadores insertados en los orificios de la muestra usando una máquina de prueba de fatiga de laboratorio. La grieta por fatiga comenzará en la punta de la muesca y se extenderá a través de la muestra. La longitud de la grieta generalmente se monitorea midiendo la conformidad del cupón, que cambia a medida que la grieta crece, o mediante medición directa usando un microscopio óptico para medir la posición de la punta de la grieta o indirectamente a partir de lecturas del extensómetro de la abertura o unión de la boca de la grieta. galgas extensométricas a la cara posterior del cupón. ^[3]

Según las normas, la dimensión limitante de la muestra es el espesor del material. Las probetas de tensión compactas se utilizan para experimentos en los que hay escasez de material disponible debido a su diseño compacto. Para materiales en rollo, la muesca debe estar alineada con la dirección del rollo donde el material es más débil. Esto permitirá al usuario asegurarse de que todos los resultados obtenidos sean conservadores (peor de los casos).

Factor de intensidad del estrés

El factor de intensidad de tensión en la punta de la grieta de una muestra de tensión compacta es ^[4]

${\displaystyle K_{\rm {I}}={\frac {P}{B}}{\sqrt {\frac {\pi }{W}}}\left[16.7\left({\frac {a}{W}}\right)^{1/2}-104.7\left({\frac {a}{W}}\right)^{3/2}+369.9\left({\frac {a}{W}}\right)^{5/2}-573.8\left({\frac {a}{W}}\right)^{7/2}+360.5\left({\frac {a}{W}}\right)^{9/2}\right]}$

donde es la carga aplicada, es el espesor de la muestra, es la longitud de la grieta y es el ancho efectivo de la muestra, siendo la distancia entre la línea central de los orificios y la cara posterior del cupón. La ecuación anterior se ha ajustado utilizando cálculos numéricos para varias geometrías de probetas. ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle W}$

Longitud de grieta

La longitud de la grieta a menudo se mide indirectamente durante las pruebas calculando la longitud de la grieta a partir de la conformidad del cupón. El cumplimiento se puede determinar a partir de un medidor de desplazamiento de apertura de la boca de grieta (CMOD) o de mediciones de deformación en la parte posterior del cupón.

Desplazamiento de apertura de la boca de crack

La longitud de la grieta se puede encontrar usando un medidor de desplazamiento adjunto a la boca del cupón para medir los desplazamientos usando la ecuación ^[1] ${\displaystyle v}$

${\displaystyle a/W=1.0010-4.6695{u_{x}}+18.460{u_{x}}^{2}-236.82{u_{x}}^{3}+1214.9{u_{x}}^{4}-2143.6{u_{x}}^{5}}$

${\displaystyle u_{x}=\left\{\left[{\frac {EvB}{P}}\right]^{\frac {1}{2}}+1\right\}^{-1}}$

Esta ecuación es aplicable en el rango . ${\displaystyle 0.2<a/W<0.95}$

Distensión de la cara posterior

La longitud de la grieta se puede determinar utilizando la deformación de la cara posterior con la siguiente ecuación ^[3] ${\displaystyle \varepsilon }$

${\displaystyle a/W=1.0033-2.35U+1.3694U^{2}-15.294U^{3}+63.182U^{4}-74.42U^{5}}$

donde , y es el módulo de Young del material del cupón. Esta ecuación es aplicable en el rango . ${\displaystyle U=1/({\sqrt {A}}+1)}$ ${\displaystyle A=E(\varepsilon W)B/P}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle 0.2<a/W<0.95}$

Diferencia de potencial eléctrico

La longitud de la grieta también se puede determinar a partir de mediciones de voltaje de la diferencia de potencial eléctrico (EPD) en puntos a cada lado de la boca de la ranura mecanizada en lados opuestos del cupón usando ^[1]

${\displaystyle a/W=-0.5051+0.8857(V/V_{r})-0.1398(V/V_{r})^{2}+0.0002398(V/V_{r})^{3}}$

donde es el voltaje EPD medido y es el voltaje de fisura de referencia correspondiente a una muestra idéntica. Esta ecuación requiere que la corriente de excitación eléctrica se inyecte a lo largo de la línea de carga de la muestra. Esta ecuación es aplicable en el rango . ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle V_{r}}$ ${\displaystyle a/W=0.241}$ ${\displaystyle 0.24<a/W<0.7}$

Referencias

1. ASTM E647-00 para medir las tasas de crecimiento de grietas por fatiga . ASTM Internacional, 2000.
2. ISO 7539-6 Corrosión de metales y aleaciones - Pruebas de corrosión bajo tensión - Parte 6: Preparación y uso de muestras prefisuradas para pruebas bajo carga constante o desplazamiento constante . 2da edición. 2003.
3. Newman, JC; Yamada, Y.; James, MA (2011). "Relación de cumplimiento de la deformación de la cara posterior para muestras compactas para una amplia gama de longitudes de grietas". Ingeniería Mecánica de Fracturas . 78 (15): 2707–2711. doi :10.1016/j.engfracmech.2011.07.001.
4. Bower, AF (2009). Mecánica aplicada de sólidos . Prensa CRC.