J-ολοκλήρωμα
Το J-ολοκλήρωμα μετρά την ενέργεια που ελευθερώνεται στην αιχμή ρωγμής όταν η ρωγμή αναπτύσσεται. Ισχύει για όλκιμα υλικά με μεγάλη πλαστική παραμόρφωση πριν από τη θραύση. Στη συγκόλληση, αξιολογείται ρεαλιστικά ο κίνδυνος θραύσης των συγκολλήσεων.
Φυσικοχημικός μηχανισμός δράσης
Στο άκρο της ρωγμής συγκεντρώνεται τάση. Σε όλκιμα υλικά το υλικό παραμορφώνεται πλαστικά πριν προχωρήσει η ρωγμή. Το ολοκλήρωμα J είναι ένα επικαμπύλιο ολοκλήρωμα γύρω από το άκρο της ρωγμής. Υπολογίζει την δυναμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την επέκταση της ρωγμής κατά μία μονάδα επιφάνειας. Είναι ανεξάρτητο από τη διαδρομή ολοκλήρωσης, εφόσον η διαδρομή βρίσκεται στο ελαστοπλαστικό υλικό. Το ολοκλήρωμα J καταγράφει τόσο την ελαστική όσο και την πλαστική ενέργεια παραμόρφωσης. Επεκτείνει την έννοια του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας από τη γραμμική-ελαστική μηχανική θραύσης σε μη γραμμική συμπεριφορά υλικού.
Μεταλλουργική σημασία & κίνδυνοι στη συγκόλληση
Οι συγκολλήσεις έχουν συχνά εσωτερικές τάσεις και αλλαγές δομής. Η εισαγωγή θερμότητας αλλάζει την ολκιμότητα. Σε όλκιμα υλικά (π.χ. δομικός χάλυβας) η πλαστική ζώνη στο άκρο της ρωγμής είναι μεγάλη. Η γραμμική-ελαστική μηχανική θραύσης υποεκτιμά τον κίνδυνο θραύσης. Το ολοκλήρωμα J δίνει ακριβέστερες τιμές για την αντοχή στη θραύση. Μια κρίσιμη τιμή JIc σηματοδοτεί την έναρξη ασταθούς ανάπτυξης ρωγμής. Αν η φόρτιση είναι τόσο υψηλή ώστε το ολοκλήρωμα J να υπερβαίνει το JIc, η συγκόλληση σπάει χωρίς προειδοποίηση. Στη ζώνη συγκόλλησης η αντοχή στη θραύση μπορεί να μειωθεί σημαντικά λόγω αλλαγών δομής (π.χ. σχηματισμός χονδρόκοκκου, μαρτενσίτης). Τότε το JIc είναι χαμηλό και η ραφή αποτυγχάνει νωρίτερα.
Πρακτική στο συνεργείο & οδηγίες δράσης
Το ολοκλήρωμα J δεν μετριέται άμεσα στο συνεργείο. Προσδιορίζεται στο εργαστήριο σε τυποποιημένα δοκίμια (π.χ. κατά ASTM E1820). Σημαντικό για τον πρακτικό: Το υλικό πρέπει να έχει επαρκή αντοχή στη θραύση JIc. Τυπικές τιμές για δομικό χάλυβα κυμαίνονται ανάλογα με την ποιότητα χάλυβα και τη θερμοκρασία περίπου σε 50–200 kJ/m². Σε συγκολλήσεις ελέγχονται χωριστά η ζώνη θερμικής επιρροής και το υλικό συγκόλλησης. Αν επιλεγούν παράμετροι συγκόλλησης με πολύ υψηλή εισαγωγή θερμότητας, ο κόκκος χονδραίνει και το JIc μειώνεται. Πολύ χαμηλή εισαγωγή θερμότητας μπορεί να δημιουργήσει μαρτενσίτη και να χειροτερέψει επίσης την ολκιμότητα. Γι' αυτό: Τηρείτε τις οδηγίες συγκόλλησης, προθέρμανση και θερμοκρασία ενδιάμεσων στρώσεων. Αν μια συγκόλληση πρέπει να αντέχει υψηλά φορτία, ο πελάτης απαιτεί συχνά απόδειξη της αντοχής στη θραύση μέσω JIc. Τότε πρέπει να ληφθούν δοκίμια από τη συγκόλληση και να ελεγχθούν.