Rapport SSL
301HET
KOUDVERMOEIINGS-ONDERzOEK UIT HET
NIL- BREUKTAAIHEIDS
-PROG RAMMA
UIT VOE RING, RESULTATEN EN
TOE PASS INGSMOGELIJKHE DEN
VAN DE KOUDVERMOEIINGSPROEF
Delft, 1986
E y Rietbergen
TEKST
INI-IOUD
VOORWOORD
:SAMENVATTING
SYMBOLEN.- EN AFKORTINCENLIJsT
INLEIDING
MATERIAALBEPROEVINC VOOR HET. 'BEHEERSEN' VAN NET BREUKGEDflAG IN CONSTRUCTIES
2..1 Inlei4ing .
. 3
2.2 De bepaling van een kritische temperatuurgrens voor de
toepassing van cønstructiemateriaal 5
2..3 De initiatleproeven . 2.3,1 Inleiding 7 2.3.2 De lineair-elastische beschrijving 7 2.3.3 De elastisch-piastische beschrijving . 9 2.3.3.1 Net COD-begrip . 9 2.3.3.2 De J'-integraal 11.
2.4 De ontwikkeling van het koudvermoejen 12
OPZET VAN NET ONDERZOEK
3.1 Materiaal
. 15
3.2 Proefstukken 15
3.2.1 Vervaardiging van de. pr.oefstukken .
. 15
3.2.2 Geometrie en instrumentatie van de proefstukken 16
3.3 Beproevingsopste].ling ,
17
3.4 Wijze van beproeven .
18
PRESENTATIE EN BES'PREKING VAN DE KOUDVERMOEIINGSRESULTATEN
4.. 1 Resultaten per proefstuk.
. 20
4.2' Resultaten per. piaatdikte
. 22
4.21 De '30mm staven . .
22
4.2.2 De 70mm staven .
23
4.3 Vergeiijking van de pIaatdiktes 24
'DE' BESPREKING VAN ENKELE VERSCHIJNSELEN UIT NET KOUDVERMOEI INCSONDERZOEK
5.1 Berekeningsmethoden van 'de COD-tipwaarden 25
5.2 Beinvloeding van de CTOD bij breuk door hoge
tussentijclse CTOD'-waarden
5.2.1 Analyse van de proefresultaten 26 S.2.2Mogelijkheden voor een verkiaring van hat
verschijnsel 27
5.3 Structuuronderzoek
30
6. DE KOUDVERMOEIINGSRESULTATEN IN RELATIE TOT .DE STANDAARD COD-PROEVEN UITGEVOERD IN RET KADER. VAN HET
NIL- BREUKTAAIHEIDSONDERZOEK 6.1 De NIL-resultaten
6.2 Verge]ij king van de koudvermoeiingsresuitaten met de NIL COD-proeven
7. TOEPASS INC VAN DE OP DE BEPALINC VAN
DE BREUKBELAST1NG VAN VIDE PlATE PROEFSTUKKEN
7.1 Ret principe van de C0bontwerpkroimne
36
7.2 Berekeningen met de COD-ontwerpkroinme
37 :8. TOEPASSINCSMOGELIJYJ.EDEN VAN DE KOÜDVERMOEIINGSPROEF
8.1 Overeenkomst met praktijkomstandigheden 40
8.2 Probleemgebieden bij de huidige uitvoering van de
koudvernloeiingsproef 42 9. CONCLUSIES 44 Literatuur 46 32 34
VOORWOORD
Dit versiag van het koudvermoéingsonderzoek is vervaardigd als afstudeeropdracht voor het behalen van het diploma van :Scheepsbouw-en scheepvaartkundjg ing:Scheepsbouw-enieur. Naast de poging orn de grote
hoeveeiheid resultaten overzichteiijk te presenteren, heb ik ook getracht aan te geven waar mijns thz-iens de mogelijkheden en beperkingen an de huidige proefôpzet liggen.
Het rapport oat de resultaten van het onderzoek dat door mij is
u'itgevoerd tij dens mijn aanstelling als student-assisteñt in het Laboratorium voor Schoepsconstructies in de periode maart-november
1985. 1k vii hierbij het gehelepersoneel van het Laboratorium
harteiijk bedanken voor de prettige samenwerking en de huip bij de uitvoering van dit onderzoek. In het bijzonder de heren R. Jaspers en B. Buisman die de praktische uitvoering van dit onderzoek hebben mogelijk gemaakt.. Voor de versiaggeving ben ik dank verschuldigd aan Hans IJzereef wiens computersysteem ik heb mogen gebruiken voor de gegevensverwerkjng van de resultaten en het intypen van de tekst. De tekst kon op deze nette wiJze uitgeprint worden door gebruik te maken van de Laserprinter van de vakgroep Hydronautica. De heer R. van Leeuwen heeft de uitstekende figuren vervaardigd, die de resultaten van het onderzoek zo overzichtelijk weergeven.
Tot slot gaat rnijn dank uit naar prof. Nibbering en de heer Scholte:, die mij tijdens de uitvoering van dit onderzoek hebben begeleid. Zij: hebben door het geven van aanwijzingen, suggesties en literatuurinformatie een wezenlijke bijdrage geleverd tot de
$AMENVATTINC
De koudvermoeiingsproef is ontworpen orn onder realistische beproevingsomstandjgheden een betrouwbare indruk van het breuktaai-heidsgedrag van het materiaai te krijgen. In het kadér van het NIL-breuktaaiheidsonderzoek zij.n hiervoor in het Laboratorium voor Scheepsconstructies 69 proefstaven beproefd. De uitvoering van het onderzoek geachieddé door het toepassen van een relatief hoge vermoei-ingsbelasting bij lage temperaturen, waarbij na regelmatige
vermoeilngsstappen tussentijdse COD-proeven zijn uitgevoerd.
Met betrekking tot het gelaste materlaal, dat in tweediktes (30mm. en 70mm) werd beproefd zijin de volgende verschijnseien te noteren. Ten eerste bleek een lasstrookserje van de 30mm stàven
ongeveer +20 C' in overgangstemperatuur te verschillen ten opzichte van de andere drie lasstrookseries. Ten tweede bleek het breuktaaiheidsge-drag van de 30mm en 70mm staven toy,, de temperatuurschaal ge'lijk te zijn, echter het niveau tot de overgang naar plastisch gedrag bleek düideiijik te verschillen.
Het toepassen van de COD-proef binnen het koudvermoeien bemoeilij'kte enlgszins de interpretatie van de resultaten. De berekening van de tipwaarde, onbekende geometrie-effecten en een moge'iijke beinvloeding van de breukwaarde door hoge
tussentijdse COD-proeven vertegenwoordigen de belangrijkste verschijn-seien. Ondanks deze beperkingen bleek bij een vergelij king met
standaard COD-proeven dat het vinden van lagere breuktaaiheidswaarde in een doorsnede met een heterogene structuuropbouw over het algemeen gelukt is. In tegenstelling tot de standaardproeven bleek bij
toepassing van de COD-ontwerpkromme de koudvermoeiingsproef breukwaar-den op te leyeren die bij twee van de drie geanalyseerde gelaste wide plate proefstukken een veilige voorspeiling van de breukbelasting te ge\en.
Een uitgebreide statistische analyse van' het aantal belastings-wisselingen dat in de praktijk optreedt zal echter moeten aantonen in hoeverre de koudvermoeiingsproef de realiteit benadert. De proef biedt echter de mogelijkheid zich hieraan aan te passen. Indien de beperkingen ten aanzien van de interpretatieproblemen en de
automatische uitvoering van de proef opgelost zijn, kan de proef een betrouwbaar beeld van het breuktaaiheidsgedrag leyeren onder
SYMBOLEN- EN AFKORTINGENLIJST
AVG - getniddelde waarde
B - breedte proefetuk (nun)
BS British Standard
C - constante
COD - Crack Opening Displacement, afstand tussen de scheurwanden
COD.- S - COD gemeten aan de zijkant van hat .proefstuk [nun]
CTOD - Crack. Tip Opening Dispiacment, afstand thesen de scheurwanclen
ter plaatse van de scheurtip (mm)
DWT - Drop Weight Test
E - elasticiteitamodulus: [N/mm2)
E' - elasticiteitsmodulus gecorrigeerd voor de
vlakvervormings-toes tand ['N/mm2)
EPFt( - Elastic 'Plastic Fracture Mechanics
Extr. - CTOD uit axtrapolatie van COD en zij -COD
HAZ - Heat Affected Zoné, warmtebeinvloede zone
11011. - methode van Holistein, Blavel en Ulrich voor de berekening van
de TOD
J J-integraal, energiewaarde voor bet moment van
scheur-uitbreiding
Jc - Icritiechewsarde voor dé J-integraal
K - stress intensity factor, spanningsintensiteitsfactor (N/nun3/2]
Kc - kritische waarde voor K [N/mm3/2)
dK - stress intensity factor range (N/mm3/2,)
LEFM - Linear Elastic Fracture Mechanics
'LS - orientatierichting
LT - orientatierichting
NDO - Niet Destruotief Onderzoek
NDT - Nil Ductility Temperatuur ( C']
NIL - Naderlands Instituut voor Lastechniek
O.P. - ander poederdek lassen
P - belasting (kM)
Pf - breukbelaeting bij vide plate proeven (kN)
Pt - toegestane bel' asting vanuit ontwerpkromme berekening (kM]
P max -
maximum belasting in COD-proef (kM)P min - vermoeiingsbelasting in volgende scheurgroàistap (kN]
R - spanningsverhouding
R - straa]. rond gat in wide plate proef (nun]
S afstand tussen verticale en horizontale kracht bij een
vierpuntsbuiging (mm)
SAW submerged arc welding
S CF spanningsconcentratiefactor
SDV startdaarddeviat je
SENB single edge notched bend specimen, buigproefstuk
T t'ainperatuur ( C]
T' spanningsvec tor
TEMP. temperatuur ( C]
Ve elstische component van de COD [mm]
Vp plastische component van de COD (mm]
a
- scheurlengte
(nun]a
kritische scheuriengte in COD ontwerpkrOnune
(nu]
a est - geschatte schaurlongte
a fs
- werkelijke scheurlengte gemeten vanaf
bet breukopp.ervlak
f
verrnenigvuldigtngsfactor
freq.
frequentie
(Hz]
n
- aantal Wisselingen
r
- rotatiefactor
r;p
- .plastische zone uitbreiding
(mm]s -
lastÏsche zone grootte
[mm]t
tijd
y
- halve afstand tuasen de scheurwanden
(mm)- piaatsparametar., afstand van onderkant proefstuk tot hot
meetpunt van de zijCOD-brug
(mm)- paatsparame ter
- afstand van onderkant proefstuk tot rnespunten voor de
COD-meting
[mm]a
cbmpiiantiefactor
(mm/N].r
- contouraanduiding voor de J-integraal
6
TOD (Crack Tip Opening Displacement) afstand tusaen de scheur
wanda ter plaatse van de acheurtip
[mm]kritische waarde van de CTOD
(mm] 6e- elastische component van de CTOD
[mm]- plastische component van de CTOD
(mm] - CTOD (mm']c
-rok
Cy
- vÏoeirek
'..
O
- poolhoek vanuit scheurcip
- schatting plastieche zone correctie
(mm]y
- dwarscontractjecoefficient
p
- grootste uitbreiding van' de plastische zone
.0
- spanning
(N/mm2)an
- spanning in netto-doorsnede
(N/mm2Jspanning in x en y-richting
ay
- vloeigrens
(N/nun2)as
- residuele spanningen
(N/inm2JOuts
- trekaterkte
[N/mm2)oc
- breuksparrning
(iN/mm2.)- schuifapanning in x-y-vÏak
[N/rnm2:]- dimensieloze CTOD
1. INLEIDING
Dit rapport bevat de resultaten van een koudvermoeiingsonderzoek zoals dat is uitgevoerd in bet Laboratorium voor Scheepsconstructies van de T.H. Deift.. Dit koudverrnoeiingsonderzoek is een onderdeel van bet NIL-breüktaaiheidsprogramma, welke de nederlandse bijdrage vormt tot een internationaal ondérzoeksprogramma op het gebied van breuk-taaiheidsgedrag.
Dit breed opgezette onderzoek (zie /50/) Ls ontstaan uit de noodzaak een betere definiering van de materiaaieigenschappen te kunnen geven ten aanzien van bet optreden van brosse breuken en plastisch bezwijken van .constructiedelen. Hierbij speelt de
toelaatbaarheid van defecten in gelaste constructies een .grote roi., daar biijkt dat deze vaak beginpunten vormden van breuken. De iaatste j aren is door de verbetering van de inspectietechnieken de benadering ten aanzien van de toelaatbaarheid van defecten verschoven van het streven naar een absolute afwezigheid van defecten, naar een
toelaatbare grootte van defec.ten. De methoden orn vast te kunnen stellen welke defecten toeiaatbaar zijn, verkeren echter nog in de ontwikkelingsfase. Dit is de reden dat de eisen, die aan het materiaal gesteld worden ruirne veiiigheidsmarges bevatten. Staalfabrikanten, constructeurs en leveranciers van lasmateriaal hebben door deze
conservatieve specificaties grote moeilijikheden orn hieraan.te.voldoen. '1-let internationale breuktaaiheidsprogramnia' tracht nu inzicht te verschaffen in hoeverre de gestélde eisen als reeel beschouwd kunnen worden. Hiervoor worden de meest gangbare breuktaaiheidsproeven aan een onderzoek onderworpen op het gebied van toepasbaarheid, geldigheid
en betrouwbaarhejd van deze proeven, waarbij de nadruk op de veel toegepaste COD-proef zal liggen. Vervolgens zal worden nagegaan in hoeverre de resultaten van deze 'small scale tests' gebruikt kunnen worden voor bet voorspellen van het breukgedrag van grotere
constructiedelen. In bet breuktaaiheidprogramma zijnhiervoor ook
- wide plate en component proeven opgenornen.
De koudvermoeiingsproef is een onderdeel van de 'small scale' beproeving en wordt geacht een betrouwbaarder indruk van het
breuk-taaiheidsgedrag te geven van gelaste verbindingen onder realistische beproevingsornstandigheden. Het vormt daarmee een onderdeel van de mogelijkheden orn te kornen tot een goede breukbeheersing in gelaste constructies. In het volgende hoofdstuk zal een beschrijving voigen hoe en op welk gebied breuktaaiheidsproeven tot die betere
breukbeheersing in gelaste constructie. kunnen leiden. Na een onderscheid in verschillend soorten breukgedrag zullen de meest gangbare proeven beschreven wordén die ieder soort breukgedrag het best karakteriseert. ' Met deze beschrijving ais achtergrond zal daarna de ontwikkeling van de koudvermoeiingsproef besebreven worden, waarrnee
later de keuzes en mogelijkheden die deze proef biedt duidelijker naar voren komen.
In hoofd'stuk 3 begint het eigeniijke verslag van het koudvermoei-ingsonderzoek met de bespreking van de opzet vanj het onderzoek.
Hierbij zullen het gebruikte materiaal, lasmethoden, proefstúkken, apparatuur en de wize waarop het onderzoek is uitgevoerd aan bod komen. in het voigende hoofdstuk. wordt een weergave van de resultaten gegeven. Dit, hoofdstuk beperkt zich echter tot de presentatie en de bespreking van de resultaten. Enkele 'problemen die bij d'e
interpretatie van dè resultaten naar voren kwainetk zullen in een apart hoofdstúk besproken worden.
Aangezien de koudvermoeiingsproef geen standaarduitvoering kent zal in H. 6 een verge lijking gemaakt worden met de goed ingevoerde en gestandaardiseerde COD-proef. Hierna wordt in het volgende hoofdstuk nagegaan in hoeverre de résultaten een goede voorspelling van het breukgedrag hadden opgeleverd bij. de wide plate proefstukken die in het breuktaaihei:dsprogramma zijn'beproefd. Tot slot zullen de
mogelijkheden en de moeilijkheden van de huidige.uitvoering van de koudvermoeiingsproef op een rijtje worden gezet. De conclusies bieden
een samenvatting van de belangrijkste Leiten die het onderzoek heeft opgeleverd.
Bij de bespreking van de theoretische achtergr.onden van de diverse proefmethoden., plasticiteit en ontwerpkromme is ervan
uitgegaan dat de lezer bekend is met de prinóipes uit de breukmecha-nica. De beschrijving met formules is beperkt gehoudén tot die
formules die van belang waren de gevoigde gedachtengang duideiijk te maken. Voor een uitgebreide beschrijving van dé
breukmechanica-principes wordt graag verwezen naar /1/, /2/en /3/.
Deze band bevat de tekst van het rapport. De f iguren, tabellen en appendices zij,n in een aparte band gebundeld. De proefstukgegevens zijn gebundeld in 'dé bij lage we'ke ook apart is bijgevoegd. De
referenties verwij,zen naar de .literatuurìijst 'die achter de tekst volgt-. De referenties met nummer /50/ en hoger verwijzen naar
publicaties die zijn verschenen in het kader van het NIL-breuktaa.i-he ldsprogramma.
2. MATERIAALBEPROEVINC VOOR RET BEI-IEERSEN VAN HET BREUKGEDRAG IN CONSTRIJCTIES
2.1 inleiding
Sinds de invoering van staal als constructiematerlaal eisten breuken in constructies of constructiedelen al vroeg de aandacht op. Het probleern kwam door de introductie van het lassen als verbindings-techniek echter pas goed naar voren. De breuken in de Liberty-schepen tijdens de Tweede Wereldoorlog zijn hiervan een illustratie. Ret uitgebreide onderzoek naar de oorzaak van deze breuken dat toen op gang kwam, leidde tot betere ontwerpen van constructiedetails en de toepassing van betere staaisoorten en lasmethoden.
Dit onderzoek naar het breukgedrag in schepen was een eerste stap in het toepassen van de breukmechanica in het constructief ontwerp. Tegenwoordig worden deze principes op uitgebreide schaal toegepast in het.ontwerp van de meest uiteenlopende constructies. In offshore-eenheden wordt hiervan gebruik gemaakt als het gaat orn de beheersing van het optreden van breuken. Dit aspect kreeg vanaf 1970 een extra dimensie, 'doordat van af dat moment de Noordzee ais olie- en gaswin-ningsgebied in gebruik werd genolnen. Tot dan toe vas er eigeniijk alleen ervaring met offshore activiteiten in de Golf van Mexico,'waar ander veel lichtere condities gewerkt kan worden. In fig.la worden de verschillen in omgevingscondities en ontwerpfilosofien tussen de
Noordzee en de Golf vanMexico samengevat. Fig.lb .geeft de verschil-len in de benadering ten aanzien van de breukbeheersing (fracture control) in deze twee gebieden. Hieruit blijkt dat de toepassing van grotere en veel duurdere installaties in een gebied met zwaardere belastingscondities, lagere temperaturen en geringere mogeliJkheden tot uitgebreide inspecties tot gevolg te hebben, dat deze instállaties optimaal ontworpen moeten zijn op bet voorkomen van breuken. De
gevolgen bij breuk -kunnen hier enkele malen groter zijn dan in
gebieden met lichtere orngevingscondities. Dit resulteert onder meer in vrij conservatieve ontwerpfilosoflen.
Bet belang van de breukbeheersing van offshore constructies is gezien deze ontwikkelingen duidelijk toegenonien. Bij de toepassing van breukbeheersing in constructies zijn vier hoofdactiviteiten te onderscheiden (zie /4/ en /5/):
materiaa]jceuze ontwerp
bouwfase gebruiksfase
ad 1.. De keuze van materiaien en lasprocedures moet erop gericht
zijn de kans op het ontstaan van brosse breuken en laagspannings-breuken zo klein mogelij'k te maken. Hierbij spelen ook vermoeiings-eigenschappen en de mogelijkheid tot het stoppen van breuken een rol. Deze eigenschappen dienen wel gerelateerd te worden aan de temperatuur waaronder de constructje uiteindelijk gaat functioneren.
Het ontwerp moet erop gericht zijn de kansop het ontstaan
van vermoeiingsscheuren zo klein mogelijk te rnaken.
Bij een eventuele
calamiteit moet de constructie niet meteen voliedig bezwijken, maar
nog zo lang mogelijk stand kunnen houden.
De mate van redundantie
(overtolligheid) van schepen is voor offshore eenheden vaak niet te
verwezenlij ken.
Tijdens debouwfase za]. de nadruk gelegd moeten worden op
het zo min mogelijk introduceren van defecten in de constructie.
Goede lasprocedures en een uitgebreide NDO-controie behoren hier tot
de middelen.
Voortdurende inspectie moet erop gericht zijn dat tijdens
het bedrijf de activiteiten niet onverwachts verstoord kunnen worden
door een plotseling optredende breuk, die tot het bezwijken van de
constructie leidt (met alle gevolgen vati .dien).
Het za]. duideiijk zijn dat de eisen die voortvloeien uit
boyen-staandè vier onderwerpen niet los van elkaar staan maar vaak
op elkaar
ingrijpen en ook tegenstrijdig kunnen zijn.
Zo kan het ontwerp van
'constructiedelen met een lage ontstaanskans op vermoeiingsscheuren tot
gevoig hebben dat er rnoeilijke produktie en/of
inspectiè-omstandig-heden onstaan, waardoor het eerder bereikte p.ositieve effect
weer
teniet kan worden gedaan.
Een zeer vooraanstaande plaats bij de breukbeheersing
van
constructies wordt ingenornen door de materiaalkeuze.
Constructiemate-rialen moeten in Staat zijn vervormingen op te nemen zonder dat er
breuk optreedt die de constructie doet bezwijken.
Dit betekant in
eerste instantie dat er zo min mogelijk defecten aanwezig moeten zijn
die aanieiding kunnen geven tot het ontstaan van scheuren en/of
breuken.
Uit de praktijk b].] jkt echter dat het optreden
van kleine
defecten niet te voorkomen vàlt..
In de buurt van lassen zullen altijd
kleine onvoikomenheden aanwezig blijven,
waarvan bet aantal echter
door goed produceren minimaal gemaakt kan worden.
Er dient dus
rekening mee gehouden te worden dat
er zich vanuit deze defecten
scheuren kunnen ontwikkelen die het beginpunt kunnen
zijn van een
fatale breuk.
Mechanische beproevirig kan inzicht verschaffen in hoeverre
de
scheur zich in rnateriaa]. bevindt met
een voldoende breuktaajhejd orn
geen aanleiding tot breuk te geven bu
een ongunstige combinatie van
belasting en temperatuur.
Hoe beter de proefstukken overeenkomen met
constructiedelen uit dé praktiJk, des te betrouwbaarder zullen de
uitkomsten van deze proeven zijn.
Uit een kostenoogpunt blijkt echter
bet beproeven van grotere proefstukken op uitgebreide schaal
niet te
verwezenlijken en heeft men proeven op kleinere schaal ontwikkeld.
Deze zgn. "small scale (fracture mechanics) tests" trachten
inzicht te
verschaffen in bet breukgedrag van grotere
cornponenten.
Met betrekking tot "small scale tests" zijn
twee benaderingen
In gelaste constructies zijn altijd defecten aanwezig die
aanleiding zullen geven tot bet ontstaan van breuken. Boyen een bepaalde temperatuur biijkt het materiaal in staat breuken te
stoppen. In deze dynamische belastingstoestancl is de beproeving erop gericht deze veilige temperatuur te bepalen. De belangrijk-ste proeven in deze categorie zijn de Chapy,-V proef en de Drop Weight Test (DWT).
Cezien de aanwezigheid van defecten moet de materiaaÏkeuze gericht zijn op hetvoorkomen van bet ontstaan van.breuken. 0m dit initiatiegedrag te beoordelen zijn een aantai standaard proe-ven ontwikkeid die onder quasi-statische beiastingstoestand uitge-voerd worden. De proeven, gericht op het bepalen van de kritische "stress intensity factor" (K), de "Crack TipS Opening Displacement" (CTOD) en de J-1,itegraal, behoren tot de categorie
initiatie-proeven.
¿-t
In de voigende paragraven zullen de bovenstaande proeven in het kort besproken worden. Hierbij komen de verschillen tussen de
diverse proeven naar voren en kunnen ook verbanden geiegd worden met de apart te bespreken ontwikkeling van het koudvermoeiien.
2.2 De beßaling van een kritische temperatuurgrens voor de toepassing van constructiemateriaal
In deze paragraaf zullen de twee proeven aan de orde komen die als belangrijkste resultaat een temperatuur of temperatuurgebied geven waarbij. het materiaal veilig toegepast kan worden. Hoewel in de loop der tijd verschiliende proeven op dit terrein zijn ontwikkeld hebben de Charpy-V proef en de DWT de meeste ingang gevonden. Beide proeven hebben ais overeenkoxnst dat ze onder dynamische beIastingscondities uitgevoerd worden. Dit in tegenstelling met de initiatieproeven
die over het algemeen onder quasi-statische omstandigheden worden
ui tgévoerd.
De Charpy-V proef is zonder meer een van de simpeiste, meest bekende en toegepaste taaiheidstest die er is.
Deze proef houdt in dat een klein gekerfd proefstukje (10x10 mm in doorsnede) met
een hamer wordt doorgeslagen. De hoeveeiheid energie die hiervoor nodig is, is een maat voor de breuktaalheid en wordt uitgezet als functie van de temperatuur. Kenmerkend voor staal is, dat de
geabsorbeerde energie in een klein temperatuur gebied snel toeneemt. De temperatuur waar dit plaatsvindt wordt aangeduid als de overgangstemperatuur.
De Charpy-V proef is zuiverkwaiitatief. Dit houdt ander meer in dat er geen eenduidige theoretische achtergrond aanwezig is, waarmee het proefresultaat direct omgewerkt kan worden naar ontwerpgrootheden als een maximum toelaatbare spanning of scheurgrootte.
De beoordeling van bet proefresultaat geschiedt door een vergelijking met minimum te behalen energieniveaus die door praktijkervaringen vastgesteld zijn. Een ander groat nadeel van de Charpy-V proef zijn de
proefstukafme-tingen. In dikke platen zal de plaats waar de proefstaa.fjes uitge-nomen zijn, vaak invloed hebben op dé resultaten.. Met name in heterogene structuren als lassen kunnen grote verschlilen in de
gevonden energiewaarden. interpretatieprobiemen geven in welke waarde nu gehanteerd dient te worden. In de voorschriften wordt aan dit probleem aandacht gegeven door de plaats voor te schrij ven waar de
staàfjes uitgenomen moeten worden.
Appendixia en ib geeft de Charpy-V waarden en de plaats waar de staafjeE zijn uitgenomen voor bet plaat- en Iasmateriaal .dat werd gebruikt in het later te bespreken koudverinoeiingsonderzoek (/51/). Beide appendices illustreren de. invloed op de proefresultaten, die de plaats waar de staafj.es. zijn uitgenomen heeft.
Daarnaast bestaat de totale Charpy-V energie uit zowel initiatie-als propagatie-energie., wat nog een extra complicatie bij de
beoordeiing van het proefresu'ltaat geef,t. Met geinstrumenteerde Charpy-V proeven tracht men aan dit bezwaar tegemoet te komen door deze energiesoorten te scheiden (f ig.2). De belangrijkste bezwaren van de Charpy-V proef worden echter door een geperfectioneerde uitvoering niet weggenomen. Fig.3.uit/7/ vat de belangrijkste bezwaren nog eens samen.
De Drop Weight Test (DWT) ontwikkeld door Fellini, heeft als resultaat een stoperiterium. Op een proefstukplaatje wordt een las gelegd,waarin later een schexpe kerf wordt aangebracht. Bij
verschillende temperaturen wordt nu een valgewicht op het plaatje losgelaten. De belangrijkste grootheid die deze proef oplevert is de zgn. Nil Ductility Temperature (NDT). Dit is die temperatuur waarbij de beginkerf zich voortplant naar het plaatopperviak aan tenniinste een zijde van de plaat, waar de nominale spanning de vioeigrens heeft bereikt. Boyen de NDT zullen breuken zeifs bij spanningen zo groot
als de vloeigrens stoppen. Fig.4 (uit /7/) geeft enige DWT proefstukken, waarbij tevens een aantal bezwaren van deze proef.
genoemd worden. Naast. de ongeschiktheid voor dikke platen kan ook hier de geringe theoretische achtergrond genoemd worden. . Uit deze
proef kan ook niet direct een ontwerpgrootheid afgeieid worden al moet .gezegd worden dat de proef hier ook niet voor ontworpen was.
Uit bovenstäande ,beschrijving blijkt dat de gebruikstemperatuur van de constructie vergeleken moet worden met de criteria die uit. de Charpy-V proefen de DWT volgen. Hiermee kan beoordeeld worden, of het materiaal geschikt is voor toepassing in de constructie. in bet verieden is wel getracht correlaties te vinden met andere proefmetho-den (bijv. tussen Charpy-V en COD) orn hiermee ontverpgrootheproefmetho-den af te
kunnen leiden. Deze correlaties bleken echter sterk materlaalafhanke-luk te zijn en er zal. in dit onderzoek verder geen aandacht aan worden geschonken.
2.3 De initiatieproeven
2.3.1 In1eidin
De initiatieproeven hebben hun grondsiag duidelijik in de
breuk-mechanica.
De begrippen die hieruit afgeleid zijnhebben eèn
theoretische achtergrond, al beperkt de praktische toepassing hiervan
zich vaak tot een nauw omschreven gebied,.
De mate waarin de theorie
nog geldig toegepast kan worden is ook afhankelijk van het soort
breukgedrag, geillustreerd in fig.5. Dit loopt van eensituatie met
grote rekverhindering en een daaruit voortvloeiende kleine
plastici-teit naar een situatie met volledig plastisch bezwijken.
De eerste
fase van dit breukgedrag, waarbij 4e plastische zone zeer klein is,
wordt beschreven door de lineair-elastjsche brèukinechanica (LEFM
Lineair Elastic Fracture Mechànics).
Bij het optreden van grotere
plasticiteit eindigt de geldigheid van deze beschrijving en wordt
gebruik gemaakt van principes uit de elastisch-plastische
breuk-mechanica (EPFM
Elastic Plastic Fracture Mechanics).
Bij het
optreden van zeer groot plastisch gedrag verliest ook deze
beschrij-ving zijn betrouwbaarheid.
Dit gebied wordt echter als minder
gevaarlijk onderkent en wordt waarschijnlijk het best
gekarakteri-seerd door rnateriaaleigenschappen al's de vloeigrens (ay) en de
treks terkte
0uts
De hierna te behandelen proeven zijn besproken aan de hand
van
bovenstaande indeling van bet breukgedrag.
De geldigheid van de proef
bepe.rkt zich dan ook tot dit gebied.
Ook hier zal de ternperatuur een
duidelij.k effect op de proefresultaten hebben.
Een begrip als
over-gangsternperatuur zal veer terugkeren in relatie tot de
gebruiks-ternperatuur.
Bij deze proeven zal echter ook hetresultaat zeif
gebruikt kunnen worden orn ontwerpgrootheden te berekenen, dit in
tegenstelling met de Charpy-V en de DWT waar het resultaat aleen
diende orn een veilige gebrùikstemperatuur aan te
geven.
in dé
voigen-de paragraven zal een korte beschrijving van voigen-de meest
toegepaste
materiaalproeven in achtereenvolgens bet LEFM-gebied
en het
EPFM-gebied gegeven worden.
2.3.2 De lineair-elastische beschrilving
Normaal materiaalgedrag wordt beschreven dòor. de spanning
(a) en
de rek (e) volgens een trekkroinme als in fig.6.
Als de spanning een
inateriaaikarakteristieke vaarde overschrijdt (de vioeigrens ay) zullen
grote vervormingen op kunnen treden voordat het materiaal zal
gaan
bezwij ken..
Bij het introduceren van een discontinulteit in de
con-structie is deze eenvoudige beschrijving onvoldoende.
Een
disconti-nuiteit veroorzaakt lokaal een uitputting van het vervormingsvermogen
van het materiaal, waardoor de totale vervorming van de constructie
achterblijft dan wat op grond van de trekkromme verwacht mocht worden.,
Met principes uit de breukmechanica is het mogelijk het
spannings- en rekverioop in de nabijheid van discontinuiteiten .als
kerven en scheuren te beschrijven.
Voor een kerf in de scheurwijze
aangeduid niet Mode I (zie f ig'. la en b), worden de spanningen gegeven door:
/27rr cos -(I-sin' sin -.-)
K O
.0
30cl,=
,,
cos -(I+sin-- sin -)
K . o e 30
xy /2rr
Hierin b1ijken de spanningen beschreven. te worden door twee
plaatsparameters r en O en een factor K,, de "stress intensity factor". Deze factor kan voor dIverse geometrieen uitgedrukt worden ais:
K=a1ira.f(a/W)
(2) waarin f(a/W)=i voor een oneindig brede plaat.
De "stress intensity factor" biijkt dus het spanningsverioop in de buurt van een kerf te karakteriseren en dit spanningsverioop kan bij het bekend zijn van K berekend worden, in de loop der tiJd is voor de meest uiteenlopende geometrieen de K berekend (zie fig.8 en verder /8/ en /9/). Wordt nu bij een proefstuk de belasting op
gevoerd tot de breukspanning ac dan geeft de uitdrukking K=OE/7ra.f.(a/W) met de £(a/w) geidend voor dat proefstuk, een kritische K-waarde. Deze kritische K-waarde.kan als een materiaaÏeigenschap beschouwd worden. Bij een andere proefstukgeometrie zal een andere conibinatie van scheurgrootte en belasting, die eenzelfde kritisch spanningsver-loop opievert, ook tot breuk leiden. In principe is dus bij het be-kend zijn van de Kc-waarde van een materiaal voor de meest uiteenlo-pende geoinetrieen waarvan bet K-gedrag bekend is, een kritische
comb matie van spanning en scheurlengte te berekenen waarbif breuk op zal treden. BiJ de bepaling van deze kritische K-waarde bleken echter geornetrie-effecten en beiastingscondities de grootte. van Kc te kunnen beinvloeden (zie f ig.9). De kritische K heeft als materiaaleigenschap
dan ook vooral waarde in samenhang met de toegepasteplaatdikte en belastingsconditje.
Met een bekende Kc-waarde kan dus voor een bepaald constructie-onderdeel een combinatie van maximaal toeiaatbare spanning en
scheur-lengte berekend worden met een K-formule die voor dat onderdeel bekend is of anders mbv. eindige element berkeningen bepaald moet worden. Hier moet echter benadrukt worden dat deze benadering slechts voldoende nauwkeurig is in bet lineaire gebied. Vaak zal de
plas:ticiteit aan de kerftip groter zijn dan de lineaire K-benadering toeiaat. Met bet bepalen van een zgn R-curve tracht men het
optreden van kleine mate van piasticiteit toch goed te beschrijven (zie /1/ en /2/). De benadering blij.ft echter in eerste instantle een lineair,-elastische,, die zijn toepassing hoofdzakelijk vindt in
gebruik van hoge sterkte legeringen, zoals voornamelijk worden toegepast in de viiegtuigindustrie.
de vervormingen, waarbij een lineair-elastische berekening geldig is, vaak vaak te klein zijn orn K ais beschrijvende grootheid te kunnen hanteren.
2.33
e elastisch-Diastische beschrijving2..3.3.l Het COD-begrip
Het COD-begrip kan rechtstreeks afgeieid worden uit de lineair-elastische breukmechanica door het beàchouwen van kleine plastische zones. De situatie aan de kerftip is in eerste instantie als' in fig.lOa. Eén eerste schatting van de grootte van het plastische
gebied bedraagt: r = !_(_..)2
(3)
p
2w'a
De spanning zal echter'in eerste instantie niet böven de
vloeigrens komen, waardoor het gearceerde gebied in fig.iOa niet kan bestaan. in werkèlijkheid zal de situatie zijn als geschetst in
f ig.lOb, waarbij de plastische zone een lengte X uitgebreid zal zijn. Uit het gelijk stellen van de opperviakken A en B in fig.iOb voigt dat
X=rp. De totale plastische zone grootte bedraagt nu s2rp. Voor verdere berekeningen wordt nu aan genomen dat de scheur' zich gedraagt
als zijnde gegroeid met een lengte rp tot a+rp (fig.lOc). Deze benadering staat bekend, ais Irwin's plastische zone correctie.
Voor een scheur ais in fï'g.11 kan bij lineair gedrag de verpiaatsing van de scheurfronten, de "Crack Opening Displacement"
(COD),, beschreven worden door:
COD=2v= !2,42_x2
(4)
Door het optreden van plasticiteit zal de kerftip afronden, waar door 'de COD aan de kerftip ongeiijk aán nui. zal zijn. Met het
toepassen van Irwin's plastische zone correctie voigt voor de COD aan de kerftip, de "Crack Tip Opening Displacement":
K2
CTOD= -
-
(5)y'
Verfijndere benader.ingen is van Dugdale geven iets andere op-lossingen. De grondvorm voor de lineaire CTOD is echter .geiijk en wordt gegeven door:
I K2
CTOD=
-C Ea
y'
Uitgebreïd experitnenteel onderzoek heeft uitgewezen dat voor buigproefstukken een factor C2 het meest aanneme'lijk is (/10/).
Bovenstaande behandeling is ge]'dig voor de viakspanningstoestand. Deze gaat uit van een vrije vervormingsmogelijkheid loodrecht op het viak waarin de spanningen werken. In veel geválien zal de vervorrning in deze richting verhinderd zijn, waardoor een spanning kan ontstaan loodrecht op de spanningen die evenwijdig aan het plaatoppervIak lopen (zie fig.i2). Deze zgn triaxiaiiteit.u.it zich in een fictieve verho-ging van de vioeigrens, vat in
(3)
een verkleining van de piastische zone tot gevolg heeft. De invloed van de triaxiale spanningstoestand wordt met een factor (I-v2) in de eiastjcjtejtsmoduiusE"=E/(I-v2)
beschreven.
Uit bovenstaande beschrijving blijkt dat het CTOD-begrip volledig inpasbaar is in lineair-eiastische modellen. Hlertoe beperkt deze benadering zich echter niet. Ook bij grotere piasticiteit biijft de CTOD als grootheid bestaan en geef t het de mogelijkheid de breuktaai-heid ook in dit gebied te kwantificeren. In geval van breuk is een kritische CTOD te bepalen die de weerstand tegen het ontstaan van breuken aangee.ft. Omdat het begrip is afgeieid voor een zeer lokale vervormingssituatie.kan de kritische CTOD ook als een materlaal karakteristieke waarde beschouwd worden.
Een.van de moeilijkheden van, de CTOD bepaling is .dat deze grootheid niet rechtstreeks gemeten kan worden. Dit probleem wordt omzeild door' van de veronderstelling uit te gaan dat het ligament van een buigproefstuk als scharnier fungeert (zie fig.13). Als de ligging van dit scharnierpunt bekend is kan de gemeten COD omgerekend worden naar een tipwaarde. Bu de ontwikkeling van de COD-proef leek de rotatiefactor (r) een constante waarde van 1/3 te hebben. Uit later onderzoek bleek echter dat het draaipunt bij toenemende plasticite.it verschoof. 0m de CTOD-waarde als materiaaikarakteristiek te laten fungeren is een eenduidige berekening van deze tipwaarde eàhter noodzakelijk. Op basis van uitgebreid experimenteel .onderzoek werd. overgegaan tot een gestandaarcliseerde uitvoering van de COD:proef, beschreven In /11/. in /10/ wordt een goed overzicht gegeven van de overwegingen die hebben geleid tot de huidige vorm 'van de. standaard COD-proef. Hier wordt ook ingegaan op de toepassingen en beperkingen die de proef in zijn.huidige vorm heeft. Een kort overzcht van de mogelijkheden van de COD-proef is te vinden in /12/.
In de BS-document van /11/ wordt een proefstukgeometrie aanbe-volen waarbij de .dikte overeenkomtmet de toe te passen piaatdikte,. Deze overeenkomst met de realiteit is een duideiijk verbetering toy. de Charpy-V proef. Door verder de hoogte tweemaa1 de dikte te kiezen en de scheurlengte de. halve proefstukhoogte te laten zijn, wordt een situatie. met grootste "constraint" (vervormingsverhindering)
gecreeerd. 'Dit voorkomt een overschatting van de CTOD in situaties waar deze 'toestand heerst en geeft voor andere situa'ties een veilige waarde.
Voor de berekening van de tipwaarde wordt onderscheid gemaakt in 'een elastische en een plastische component van de CTOD. .De elastische
component wordt berekend met (6), waarmee een voortzetting van
iineair-elastjsche modellen gegarandeerd is. De. plasti'sche component
wordt berekend door uit de belasting (P)-COD registratie die van de proef gernaakt wordt., hetp'lastische deel te bepalen (fig.14) en deze
terug te rekenen naar de kerf.tip met de aanname dat het draaipunt (r) op 0.4 van de ligamenthoogte (W-a) ugt. Deze wijze van
CTOD-'berekening is vrij bewerkelijk en rege'lmatig het onderwerp van discussie. Bij de bespreking van de proefresultaten zal hier op terug gekomen worden.
ontwerpgroot-heden uit de gevonden kritische.CTOD-waarden af te leiden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de zgn. COD-ontwerpkromme. Het gebruik van
deze ontwerpkrommen vond echter nog maar een beperkte toepassing door onnauwkeurigheden bij grotere plasticiteit. Hierdoor werd de
COD-proef tot op beden hoofdzakelijk als kwalificatieproef gebruikt. Op het ogenbiik vInt de COD-ontwerpkromme echter aan populariteit, wat de bruikbaarheid van de COD-proef ten goede zal komen. In H.7 zal
aan de hand van enkele proefresultaten het gebruik van deze kroinmen worden besproken.
2.3.3.2 De J-:integraal
De J-integraal is eeneiastisch-plastische energie parameter die het begin van scheuruitbreiding aangeeft. Deze grootheid is ontwik-keld vanuit de drukvaten industrie in de VS, vaar de behoefte ontstond
aan een meer theoretisch gefundeerde breuktaaiheidsparameter. De afleiding van de J-integraal, ontwikkeld door Rice, is een complexe aangelegenheid, maar komt in principe neer op het uitwerken van een energievergelijking. Ge1ijk gesteid vordt JJc, wat omschreven kan worden door (zie /13/): scheuruitbreiding kan plaats vinden als, per hoeveelheid scheuruitbreiding, dedoor de uitwendige krachten
verrich-te arbeid verminderd met de toename van de opgesiagen elastische energie (J) groter wordt dan de energie die nodig is voor scheuruit-breiding (Jc). Deze energievergelijking is niet slechts geldig voor
lineair-elastisch gedrag maar ook voor niet lineair-elastisch gedrag. Dit iaatste is analoog aan elastisch-plastisch gedrag tot het moment waarop scheuruitbreiding plaatsvindt. Voor beperkt elastisch-plas-tisch gedrag kan dus met deze energiegrootheici het initiatiegedrag gekarakteriseerd worden.
Het linkerdeel van de vergelijking JJc kan ook beschouwd worden als de afname van de potentiele energie bu een kleine schèuruitbrei-ding da. Hiermee kan een viskundige .uitdrukking voor de J-integraa1 afgeleid worden met betrekking tot een contour F (f ig.15):
J= ¡(W dy-T ---.ds)
(7) Waarin W' de rekenenergie per volume-eenheid en T:, de spannings-vector voorste].t.
Een belangrijke eigenschap van deJ-integraaI is dat bewezen kan worden dat deze onathankelijk is van de gevolgde weg (zie hiervoor /2/). Beschouwen we een kerftip als in f ig.16 dan geeft dezé
eigenschap voor een contour F dat Fi-F2. Wordt nu dé contour r2 viak langs de kerftip geiegd (fig.17) dan kan de J-integraal langs deze weg ook berekend worden door de contour ri te volgen. De moeiiijk
definieerbare spanningssituatie aan de kerftip kan nu vermeden worden door een weg te kiezen in een beter te beschrijven spanningsveld. De gevonden waarde voor J langs ri blijft echter karakteristiek voor de kerftip.
is voor het begin van scheur.uitbreiding en kan ook beschouwd worden ais een inateriaalkarakteristieke waarde. De uitvoering van de J - integraal standaardproef, vastgelegd in /14/, toont grote
overeenkomst met de COD-standaard proef, waardoor kritische CTOD en Jc in een proef bepaald kunnen worden. Voor de bepaling van J moet
echter een kracht-verplaatsingsgraflek geregis.treerd worden. Het opperviak onder deze kronune is een energiegrootheid en.een maat voor J. Voor diverse hoeveeiheden van scheuruitbreiding (da) wordt J in een grafiekuitgezet en vormt de "reslstance"-lijn (zie fig.18). Het afronden van de scheurtip tgv. plastische déforinatle wordt door de
"biunting"-lijn in rekening gebracht. Indien aan nog enkele
voorwaarden wordt voldaan geeft het snij punt van deze twee liinen de Jc-waarde.
Met behuip van eind'ige elementen methode kan door een geschikte keuze van ,e contour de afname in potentiele energie voor een
gescheurd onderdeel berekend worden (dit is J). Voor het uitblijven van scheuruithreiding moet dan gelden J<J.c. De fase van stabiele scheurgroei wordt door deze benadering niet gedekt. 0m deze fase te kunnen beschrijven is het Tearing Modulus concept ontwikkeld (zie /13/). Hiermee is echter nog niet veel ervaring en wordt ook nog niet op ultgebreide schaal toegepast. Zoals gezegd vindt de J-integraal zijn toepassing hoofdzakelijk in de drukvaten industrie, waar het verschil in materlaalgedrag tussen laboratorium proefstukken en de werkelijike constructie kleiner is dan in de offshore. Bovendien vormt de berekening van Jop dit ogenblik.nog een hindernis voor uitgebreide toepassingen. De ervaring met drie-dimensionale J-berekeningen is nog beperkt en voor veel gevailen te kosthaar. Ook, het felt dat de
geIdigheid van J-integraal. loopt tot het moment van stabiele scheurgroei, staat een uitgebreide toepassing in dè weg. De
breuktaajheidwaarden die hierbij horen zijn voor de offshore
onvoldoende. Mogelijk geven in de toekomst de ontwikkeling van de J-ontwerpkromme en de verdere ontwikkeling van bet Tearing Modulus concept een uitbreiding in de toepassingsmogelijrkheden van de J-integraal voór offshore doeleinden.
2.4 De oritwikkeling van bet koudvermoeien
Het koudvermoeien is aan het einde van de jaren '60 geintrodu-ceerd door Nibbering (/15/ en /16/) als een realistische manier constructiede].en op hun breuktaaatheid te beproeven. De nadruk lag hier op "wide-plate tests",, maar kleinere buigproefstukken leverden overeenkomstige resultaten, waarmee voorspellingen omtrent het breukgedrag van grotere constructiedelen gedaan konden worden.
Tijdens deze buigproeven traden brosse stappen op, die stopten als de ternperatuur hoog genoeg was. Deze brosse stappen werden eerst
toegeschreven aan de heterogeniteit van de warmtebeinvloede zone (heat affected zone., HAZ) waarin de scheur ges'itueerd.was. Blj nader
onderzoek bleek de grootte van deze brosse stapjes overeen te komen met de grootte van de verstevigde zone veroorzaakt door bet vermoeien Buiten deze zone bleek het materiaal nog voldoende taaiheid te
laboratorium .oinstandigheden, maar is geheel overeenkomstig met de praktijk, waar schepen en offshore constructies voortdurend aan vermoeiingsbeiastingen b'ootgesteid staan.
Later onderzoek (/17/) leverde soortgelijke brosse stappen op in 25mm SAW-proefstukken (zie fig.19). Hat basisprincipe van daze
koudvermoeiingsproeven is orn op een hoog belastingsniveau de scheur de doorsnede door te laten groeien, waarbij. het proefstuk za]. breken als de scheur een plek met een zeer lage breuktaaiheid tegenkomt. Hierbij dient de belasting geieidelijk veriaagd te worden orn ieder punt in de doorsnede aan een zo gelij:k rnogelijke belastingsconditie bloot te steilen. Fig.20 geeft de belastingsgeschiedenis van de proeven uit fig.19.
Bij breuk geven scheuriengte en belasting een realistische kritische K-waarde waarbij gebruik van het materiaal op de beproefde
temperatuur niet meer veilig is. Blij ft het proefstuk heel tot het moment dat de scheur de halve hoogte bereikt dan kan de proef
afgesloten worden met een statische-COD proef. De belangrijkste voordelen van deze wij;ze van beproeven zijn: de realistische
beiastingsgeschiedenis; geen moeilijjke COD-metingen tij.dens de proef, met de problemen orn deze orn te rekenen naar een tipwaarde; een
continue beproeving van de gehele proefstukdoorsnede,, wat bij heterogene structuren een veel betrouwbaar der beoordeling van de breuktaaiheid geeft. Fig.21 vat de voordelen nag eens samen. Een belangrijk nadeel is de xnoeilijke vergeiijkbaarheid met de andere statische breuktaaiheidstesten, die eenuitgebreide toepassing in de praktijkhebben gevonden. Bovendien geef t deze methode een (weliswaar realistische) kritische K-waarde, echter in bet verlangde
breuktaaiheidsgebied verliest die zijn geldigheid.
Het idee van het koudverrnoeien werd in wat gewijzigde vorm opgepakt door Tanaka et ai. (/18/), die er. de naam Fatigue COD aan gaf. Het hoofddoei van deze proef was orn de minimum CTOD-waarde vast te stellen in een kleiñ bros gebied van de HAZ. Hiertoe werden
"face-cracked" proefstukken onder een constante hoge belasting vermoeid. Ais de aangebrachte belasting hoog genoeg was brak het proefstuk en werd vanuit de totaal gerneten COD een tipwaarde berekend Een overzicht van dit onderzoek geeft fig.22.
Door het toepassen van een constante hoge verrnoeiingsbelasting over het gehele scheurgroeitraject, is deze methode alleen geschikt orn
in een klein gebied waar men de siechtste plek verwacht de minimum CTOD-waarde vast te stellen.. De hoge belasting bij de Fatigue COD proef veroorzaakt een afronding van de scheurtip, waardoor te optimis-. tische resultaten gevonden worden. In een laterepublicatie (/19/) steit Tanaka resticties aan de R-waarden en de AK, wil men dit voor-komen. Hierdoor kan het vermoelen wel wat van zij.n reaiitejtswaarde
inieveren.
Recenteronderzoek van de Boer /20/ dat oak gericht was op het vast stellen van bet laagste breúktaaiheidsniveau in de verbroste zone, geeft aan dat bu de Fatigue COD nog veel interpretatie
problemen te overwinnen zijn. Meer mogeiijkheden zou de methode met tussentijdse COD-proeven. kunnen bieden, al bleek deze.:methode een grotere kans te hebben de siechtse p'iek in de verbros.te zone te
missen.
-Hat idee van de tussentijdse COD-proeven is door Nibbering geintroduceerdin /17/ ais een verbetering van de h*ddige COD-proef. Een groot bezvaar van de COD-proef is. ni. dat siechts een zeer klein gedeelte van de hele proefstaaf getest wordt. Voor heterogene
structuren als lassen betekent dit dat de plaats van de vermoeiings-scheur bepalend is voor het resuitaat, een feit Waar Tanakazijn
onderzoek op baseerde. Er is dan een groot aantai proeven bij dezeÏf-de ternperatuur nodig orn een betrouwbare indruk van dezeÏf-de breuktaaiheid te krijgen. Hat principe van de tussentijdse COD-proeven bestaat uit het op meerdere plaatsen uitvoeren van een standaardproef tot een bepaaid CTOD-niveau. De verschillende stappen worden overbrugd door het aanbrengen van een vermoeiingsbelasting.
Door nu bij de lage temperaturen waarop de COD-proef wordt
uitgevoerd, met een relatief hoge vermoeiingsbelasting de stapgrootte te overbruggen, die de COD-proeven van eikaar scheidt, blu ft de kans bestaan dat de staaf breekt op een onaanvaardbaar siechte piek.
Aangezien de s:tandaard COD-proef in principe gehandhaafd blufft, is een vergelijking met de statische tegenhanger mogeiijk. Een nadeel tov het oorspronkelijikó. idee van het koudvermoeien uit fig. 21 is dat door handhaving van het COD-principe ook enkele interpretatie
problemen die deze proef met zich meebrengt, aanwezig zullen blijven.
In bet volgende hoofdstuk zal bêschreven worden hoe het koudver-moeiingsonderzoek in bet kader van het N1L-breuktaaiheidsprogramina is uitgevoerd. De 'keuzen die daarin gemaakt worden, vinden hun grondsIag in de in dit hoofstuk besproken.proefprincipes.
3. OPZET VAN HET ONDERZOEK
3.1 Matertaa]
Het in het NIL-breuktaaiheidsprogramma toegepaste plaatmateriaal is een Fe 5lONb steal in tweeverschjl].ende diktes 30 mm en 70 mm. 0m een goede vergelijking van de onderzoekresuitaten mogelijk te maken werd aan de fabrikant (Hoogovens) gevraagd plaatmateriaal met een zo homogeen mogeiijke samenstelling te leyeren. Naas.t de Fe E355-KT
kwaliteit uit Euronorm 113-72 werden daarom nog enigeaanvullende eisen gesteld, die vermeld staan in. app.IIa. In app.IIb is de
chemische samenstelling van bet plaatmateriaal gegeven met spreiding in uiterste waarden tussen de platen. App.IIc tenslotte geeft aan in hoeverre de geeiste eigenschappen gehaald zijn. Hieruit blijken zowél de eisen mbt. de kerfslagwaarde als de spreiding in vloeigrens,
treksterkte en rek te worden gehaald. Een uitgebreide beschrijving van het plaatmateriaal van het NIL-breuktaaiheidsoncierzoek is te vinden in /52/.
3.2 Proefstukken
32.l Vervaardiging van de proefstukker
De proefstukken voor bet koudvermoeiingsonderzoek zijn vervaar-digduit aan elkaar gelaste plaatstrokenjn.cie piaatdiktes, 30 en 70
mm. De 30mm serie bestaat uit vier Iasstróken waarvoor drie wals-platen zijn .gebruikt (nrs. 58385-005, 58385-006, 58460-009). De 70mm
serie is in drie lasstroken vervaardigd waarvoor een waisplaat werd gebruikt (nr. 62968-013). Zie hiervoor ook het uitnameplan in /53/.
Voor het lassen werden de platen voorverwarmd tot 120 C. Hierna werden met de hand de eerste twee grondlagen gelegd, waarna- de rest van de naad werd opgevuld met 0.P.lassen. Vervolgens werd de plaat omgedraaid en de grondlagen uitgegutst. Hierna werd de tegenlas met 0.-P.lassen opgevuld. Tot. slot werdén dé gelaste 30mm en 70mm plaat-stroken nog resp. 60 en 150 min. nagegloeid op 570-590 C. in
app.III a t/m g is per iasstrook de gevoigde lasprocedure vermeld met de proefstuknummers die hieronder vallen. Tevens is een macro-ets van de las toegevoegd die de uiteindeiijke opbouw van de las laat
zien. De laatste twee lasstroken van de 7Ornmserie waren al beproefd
toen de etsen vervaardigd werden.
Voor de verwerking van de proefresuitaten-is het nodig de hoogte van de vloeigrens te weten bij verschillende-temperaturen. In /54/
zijn voor het lasmateriaal trekproeven uitgevoerd bij -0 en -70 C. In /55/ is het vloeigrens verloop als functie van detemperatuur bepaald aan de hand van eerdere nauwkeuriger bepaalde krominen uit het BROS I en II onderzoek. Fig.23 geeft het vloeigrens en treksterkte verloop van bet in dit onderzoek toegepaste materiaal. ter plaatse van de kerf voor zowel de 30mm als de 70mm staven. Eerder uitgevoerde trekproeven in /56/ aan plaatmateriaa]. bieken belastingsgestuurd te zijn uitgevoerd wat hogere vloeiplateaus geeft dan een
verpiaat-singssturing. De trekproeven uit /54/ aan het lasmaterlaal zijn echter verplaatsingsgestuurd uitgevoerd.
3.. 3.2 Geometrie en instrumentatie van de proefstukken
. Uit de gelaste plaatstroken werden van de 30mm serie 45 en van de
70mm serie 30 proefstukken vervaardigd Fig 24 geeft de proefstuk-geometrie van de 30mm staven en fig.:25 dat van de 70mm staven. Beide . series hadden een korte machinaal aangebrachte kerf van resp. 10 en
.15 mm, die in het centrumvan de las geplaats.t was. Dze plaats is gekozen, oíndat deze voor alle gelaste staven eenduidig te definieren ,i,s,, dit in tegenstelling tot een kerf in de HAZ., Met 70mm proefstuk
-heefteen. B/W verhouding van 0.5 die gelijk is aan het aanbevoien BS standaard afmetingen (/11/) , terwij.l die voor het. 30mm proefstuk O. 33
bedraagt. Was de B/W verhouding van de. 30mm staven .eveneens 0.5 geweest dan zou he.t scheurgroeitraject van de machinale kerf tot de halve ,proefstukhoogte te kort zijn geweest orn voldoende mee.tpunten in bet koudvermoeiingstraj'ect. aan te brengen. De nuinmering van de -.
proefstukken is opgebouwd uit achtereenvolgens; een iasstrooknummer, de orientatie (LT zie fig,.26), en en voignummer.
Voor het opmeten van, de COD werd gebruik ..geinaakt van een "clip gage",' die in de opgeschroefde mesjes van het proefstuk werd
geschoven. He.t .bereik van de "clip, gage" in de eerste .serie 30mm proefstukken bedroeg 3.. '5 mm. Dit bleek voor enkele proeven
onvoidoende, zodat tlj dens de .beproeving van de 70mm serie is overgegaan op een "clip gage" met een ineetbereik van 12 nun. Deze
"clip gage" isook voor de. resterende 30mm staven gebruikt.
Dit eerder oriderzoek' in. he.t Laboratorium voor Scheepsconstructjes waren be.trouwbare resultaten verkregen met, meten van de COD aan de zijkant van de scheur, naast die aan de onderzijde van bet proefstuk 'Door het' extrapoleren van. deze twee meetgegevens kan 'de CTOD bepaaid worden. Ook in d.it onderzoek is deze meetinethode toegepast door 'aan de zijkant van het proefstuk een veerstrookje te" plaatsen (zie
fig.27,). Een combinatie van lage temperaturenen de
vermoeiingsbe].as-ting veroorzaakten echter datde veerstrookjes .regelmatig 'bezweken, waardoor deze meetmethode minder betrouwbáar wordt. in het volgende hoofdstuk zal hier verder op' ingegaan worden.
In fig.28 zijn in twee détailopnamen van de ins.trunientatie aan de' onderzijde van het 70mm proefstuk ook meetdraden te zien. Tij.dens het koudvermoeiingsonderzoek 'is getracht 'voor deze ;proef ook een
betrouwbare scheurmeetmethode' te Ontwikkelen. De resultaten van daze metingen zijn echter te siecht orn deze. in. de.,verwerking van de,'
resultaten te kunnen gebruiken. Met naine .de.reproduceerbaarhejd' van 4e meting was siecht.
3. 4 $eroevingsovstelling
Voor het koudvermoeiingsonderzoek zijn twee verticale vermoeiings machines gebruikt. De 30mm staven zijn beproefd op een 350 kN bank, met een servogestuurde cylinder onder in de bank (fig.29). De 70mm staven zijn beproefd in een 1000 kN bank met alle mogeiijkheden tot het aanbrengen van verschillende belastingsvormen fig.30). De beproeving van de 70 koudvermoeiingsstaven geschiedde in drie
onderdelen. Eerst werd een serie 30mm staven afgewerkt op de 350 kN machine (nrs. ÏLT1 t/m 5, 2LT13 t/m 16 en 8LT27 t/m 36). Hierna werden alle 70mm staven op de 1000 kN bank beproefd, waarna het onderzoek afgerond werd met de vermoeling van de resterende 30mm staven. De instelling van de vermoeiingsbelasting en het verrichten van de COD-proef gebeurdevoor de eerste serie 30mm staven nog met, de hand. Voor de 70mm staven en de tweede serie 30mm staven konden beide banken computergestuurd bediend worden.
Naast de voiledige besturing van de vermoeiingsmachines kon met de computer tijdens de proef ook diverse meetgegevens verwerkt en uit-geprint worden. Voor de verdere registratie van de metingen werd van ledere COD-proef een P-COD grafiek vastgelegd met een x-y-recorder, terwiji een x-t-recorder voor een continue registratie van onder- en
zij -COD zorgde.
Het temperatuurbereik van dit onderzoek hep van -100 tot -20 C. Deze temperaturen werden bereikt met twee verschj].lencle
koehinstahla-ties. Voor temperaturen van -20 tot -60 C werd een
alcohol-koel-instailatie toegepast. Hiervoor werden op bet proefstuk aan weerszij den van de kerf bakken aangebracht waardoor de gekoelde
vloeistof werd geleid. Het aanbrengen van een laag sihiconenkit moest voor een vioeistofdichte afdichting zorgen. De lage temperaturen en de vermoelingsbeiasting veroorzaakten echter regeimatig lekkages, zodat tljdens bet onderzoekvoortdurend naar betere systemengezocht is. Een extra comphicatie hierbij was dat bet koelsysteem ook
geschikt moest zijn voor de stikstof-koelinstahlatje. Deze installa-tie-werd gebruikt voortemperaturen van -60 tot -100 C. Hiervoor wordt meestal gebruik gemaakt van een aparte kast waarin het proefstúk
geplaatst is en de koude vloeistof ingespoten kan worden. Dit was voor dit onderzoek niet te yerwezen1ijken, zodat ook hier gebruik moest worden gemaakt van aparte bakken. Door het toepassen van
teflonband is uiteindelijk een bevredigende opbossing voor de afdichting van de bakken gevonden.
De temperatuur werd aan weerszijden van de kerf gemetenmet een thermokoppelen eenweerstandsdraad, behorend bij de stikstof-koelin-stallatie. Deze meetpunten werden
aan de zijkant van het proefstuk bevestlgd (zie fig.28). Door het proefstuk en de koeibakken goed te, isoleren kon bet temperatuurverloop in de hand worden gehouden
(fig.31). Hoewel met de stikstofinstallatie ook bet hogere
temperatuurgebied bestreken kan worden, is hier toch de voorkeur aan de alcohol-koeljnstallatie gegeven. Met deze installatie was de temperatuur binnen enkele tienden graden nauwkeurig te regelen, terwiji dit voor de stikstof-instahlatie slechts i a 2 C bedroeg.
3.5 Wij:ze van beproeven
Voor de uitvoering van bet koudvermoeiingsonderzoek zijn op grond van par. 2.4 verschillende mogelijkheden aanwezig. De eerste
mogelijkheid is orn als in /17/ een hoge verrnoeiingsbeiasting aan te brengen die afneernt bij een grotere scheurlengte. In /17/ zijn.slechts drie belastingsniveaus toegepast (fig.20). De COD, die hierblj ook toeneernt, zou dan. omgerekend kunnen worden naar een equivalente tipwaarde, waarmee op een constante CTOD vermoeid.zou kunnen worden. Deze aanpak vertoont grote overeenkomsten met Tanaka in /18/, echter deze verlaagt vermoeiingsbelasting niet, waardoor deze methodealleen
geschikt is orn in een klein gebied de minimum CTOD te bepalen. In /20/ zijn echter. bij deze aanpak veel praktische problemen naar voren gekornen. Hiervan zijn de mogelijke beinvloeding door de
belastings-geschiedenis, de invloed van AK en R op het proefresultaat en
rnoei].jkheden bij het berékenen van de tipwaarde de voornaarnste.. Vanwege deze rnoeilij'kheden en orn een vergelijking. met de overige resultaten uit het N1L-onderzoek mogelijk te maken, is besioten dat op dit ogenblik het koudverinoe.iingsoncierzoek het best uitgevoerd kan worden door het toepassen van tussentijdse COD-proeven. De COD-proef wordt doorgezet tot de COD aan de tip een van te voren vastgestelde waarde heeft bereikt, waarna de belasting wordt teruggenomen. Met een
relatief hoge vermoeiingsbelastjng wordt de volgende stap overbrugd zodat de kans aanwezig blijft dat de staaf breekt op een zeer
siechte plek. Hoewel een continue aftasting van de doorsnede nu afwe-zig is, is. dé kans dat er een mindere plek in de heterogene
lasstructuur wordt gevonden wel aanmerkelijk verhoogd. Bij een bepaalde.temperatuur kan een tussentij.ds CTOD niveau gekozen worden overeenkomstig de klassificatie-eisen. Is het proefstuk niet bezweken als de scheur de halve proefstukhoogte heeft. bereikt, dan wordt de proef afgesloten met een normale COD-proef.
De stapgrootte waarna een tussentij'dse COD-proef werd uit gevoerd bedroeg voor de 30mm staven 1 nun en voor de 70mm staven 2 mm. De scheurgroe.i werd met visuele inspectie, waargenornen aangezien een andere scheurmeetmethode niet voorhanden was. De hier gekozen stap-grootte was visueel goed vast te stellen al bleek achteraf de
werkelljke scheuriengte meestal groter te zij,n geweest (,fig.32). Dit kon worden vastgesteld doordat de tussentiJdse COD-proeven duidelijk zichtbare scheurfront'lijnen op het breukopperviak achterlieten (zie de breukvlakfoto's in de bijlage). De.scheuriengte en' stapgrootte zijn daarom tij dens de proef niet zo kritisch, omdat alle resultaten achteraf met de werkelijke scheuriengte te evalueren zijn. Dit had wel tot gevoig dat de werkeiijk aangebrachte CTOD-waarden jets lager zijn dan tij'dens de proef aangenomen was (fig. 33)
De vermoeiingsbelasting werd zo gekozen dat bij dé betreffende temperatuur in een volgende. verrnoeiingsstap de vloeigrens werd bereikt op basis van een lineaire spanningsverdeling over de restdoorsnede
wat de BS-norm voorschrijft ais maximum voor het'aanbrengen van de vermoeiingskerf in de standaard proefstukken bu +20 C (zie app.IV). Fig.34 geeft de maximum vermoeiingsbelasting (P) bij toenemende scheurlengte voor de 30mm en 70mm proefstukken bij -40 C. Tevens is het bij.behorende K-verioop voor dit proefstuk berekend met de formule uit /8/ uitgaande van een vierpuntsbuiging. Alle proefstukken in. dit onderzoek zijn op deze wijze belast. Het optreden van een top in het K-verloop rond a/W=0. 2 is een gevoig van de proefstukconfiguratie
Met de toegepaste frequentie (4 Hz) en de spanningsverhouding (R0.3) waren per scheurgroeistap 1000-2500 wisselingen nod.ig Op deze wijze kon per dag een proef uitgevoerd worden. Tijdens dit onderzoek is' alleen vertraging van de. scheurgroei 'geconstateerd als gevoig van een afnernende spanningsintensitei.t (f ig.34), maar niet na na het aanbrengen van een tussentijdse COD-proef. Orndat hier in het begin voor gevreesd werd, is geprobeerd orn door een aanpassing van de. vermoeiingsbelastjng dit te voorkomen. Bij de eerste proefstukken gebeurde dit door een vast percentage (75%) van de maximum belasting in de COD-proef te nemen (nrs. 8LT28, 29, 30 en 31). Toen geen
scheurvertraging bleek op te treden, gaf vermoeien tot, de c7y-lijn, als hlerboven beschreven, de meeste kans op goed vergelijkbare resuitatn Het uitblijven van scheurgroeivertraging kan materiaalathànkelijk zijn.
Bij het aanbrengen van de tussentijdse COD-proef werd de grootte van de COD bepaald door de van te. voren vastgeste'lde tipwaarde (CTOD)
terug te rekenen op basis van een draaipuntsligging op r..1/3
van de ligamenthoogte (W-a) (zie fig.13). Bu de eerste serie 30mm staven verliep het omzetten van belasting- naar verplaatsingssturing en de
instelling. van de vermoeiingsbeiasting nog met de hand. Voor de overige proefstukken was dit geautomatiseerd. (een van de
aanbeve].lngen uit /20/). Hier .hoefde alleen nog de
scheurlengte en de te bereiken CTOD ingevoerd worden, waarna de gehele proef automatisch verliep. Tij.dens iedere COD-proef werd
een x-y-recorder bijgezat voor een P-COD grafiek (fig.35). .Een continue
COD-registratie (fig.36).gaf de mogelijkheid een equivalente CTOD te berekenen bij
een .breuk tij dens het vermóeien.
Het programma rekende de' COD-meting tij dens de proef voor,tdurend orn naar een tipwaarde, waarna de proef 'stopte als de ingevoerde
tipwaarde..bereikt was. Aangezien het aanbrengen. van de belastung toy.
de COD-brekening een continue proces was moest deze berekening snel
uitgevoerd worden. Dit vereist een snelle
computer of een eenvoudige berekeningswijze. 0m niet een te grote variatie in dé aangebrachte CTOD-waarden te krijgen is tijdens dit onderzoekgekozen de
eenvoudige aanname r1/3 te handhaven. Het optreden van duidelijke scheurfrontlijnen garandeert echter de mogelijkheid tot een volledige evaluatie achteraf. Op andere berekeningsmethoden van de CTOD-waarde zal in het volgende hoofdstuk worden ingegaan.
PRESENTATIE. EN BESPREKING VAN DE 0UDVERM0EI INGSRESULTATEN
4.1 Resultaten er proefstuk
De-presentatie van de proefresultaten valt in twee delen uiteen. Eerst zullen in deze paragraaf de gegevens per proefstuk behandeld worden. -Vervolgens zal in de volgende parag-raven door de samenvoeging van de afzonderlijke resultaten een overzicht van het breuktaajhejds-gedrag samengesteld worden.
De resultaten per proefstuk zijn gevat in de bijlage. Het eerste deel van deze bijiage bevat de 3Ommproefstukken, terwiji het tweede deel de 70mm staven vermeld staan. Beide series zijn gerangschikt naar oplopend proefstuknunimer. Per pròefstuk is gegeven: algeméne informatie als beproevingsomstandigheden, afmetingen etc.; aanvullende opmerkingen; een foto van bet breukopperv].ak; een tabel met alle
proe-fgegevens.
De tabel geeft per tussentijdse COD-proef: bet aantal wisselingen tot breuk, geschatte en werkelijke scheurlengte, gemeten COD en
zij-COD, maximum belasting tijdens de COD-proefen de maximale
vermoeiingsbelasting in de volgende scheurgroeistap; Tot slot zijn op vier verschillende manieren de CTOD-wáarden berekend.
Ditzijn
achtereenvolgens:
-1,. uitgaande van r-1/3, vaarmee de CTOD tijdens de proef bepaald is; volgens de British Standard-/ll/, gebruikmakend van de compliantie-methode (zie app.V);
de methode van HolIstein, Blavel en Ulrich, die een eenvoudige formule voor de draaipuntsligging geven. (rO.48/5 .), welke volgens Cuyt /21/ goede overeenkomsten met de BS geeft;
4-. extrapolatie van COD en zij -COD meetwaarden naar de scheurtip. Hoewel deze tabel met de dàarbij horende algeinene informatie bet complete resultaten overzicht bevat, zijn ter' verduidelijking dèCTcD -en het belastingsverloop als functie van de scheurlengte u'itgeze-t. In
de CTOD-CURVE grafiek zijn de scheurlengte meetpunten op gelijke afstanden van elkaar uitgezetonafhankeijjk van de waarde.
Bij de LOAD SEQUENCE grafiek is dit niet het geval. Bij somiuige proefstukken bereikten de breukwaarde of de extrapòlatiewaarden een dermate grootte
dat een aparte CTOD-CURVE grafiek is bijgevoegd die de overige meetpunten op een gunsti-ger schaal weergeeft. De proefstukken met
slechts- een meetpunt hebben geen aanvullende figuren (nrs. 2LT20, 8LT27, 8LT33, ll-LTIO).
Aangezien de hoogte van de tussentijdse CTOD bepaald werd door ri/3 most deze lijn nagenoeg horizontá-al lopen. Het licht diende karakter van deze lun in de meeste CTOD-CIJRVE grafieken wordt
veroorzaakt door bet verschil-in gesehatte en werkelijke scheurlengte (zie fig.32). De afwij-kingen bieven echter voor alle proeven beperkt tot ten hoogste 0.02 mm. Hoewel sommige proefstukken een sterk
