J-integral
J-integralen mäter energi som frigörs vid en sprickspets när sprickan växer. Den gäller för sega material med stor plastisk deformation före brott. Inom svetsteknik bedömer man därmed brottrisken i svetsfogar realistiskt.
Fysikalisk-kemisk verkningsmekanism
Vid sprickans spets koncentreras spänningen. I sega material deformeras materialet plastiskt innan sprickan fortsätter. J-integralen är en linjeintegral runt sprickans spets. Den beräknar den potentiella energi som frigörs vid sprickförlängning per ytenhet. Den är oberoende av integrationsvägen, så länge vägen ligger i det elastisk-plastiska materialet. J-integralen omfattar både elastisk och plastisk deformationsenergi. Den utvidgar konceptet med energifrisättningshastighet från linjär-elastisk brottmekanik till icke-linjärt materialbeteende.
Metallurgisk relevans och risker vid svetsning
Svetsfogar har ofta egenspänningar och strukturförändringar. Värmetillförseln ändrar segheten. I sega material (t.ex. byggstål) är den plastiska zonen vid sprickans spets stor. Linjär-elastisk brottmekanik underskattar brottrisken. J-integralen ger mer exakta värden för brottseghet. Ett kritiskt värde JIc kännetecknar början av instabil spricktillväxt. Om belastningen är så hög att J-integralen överskrider JIc, brister svetsfogen utan förvarning. I svetszonen kan brottsegheten minska avsevärt på grund av strukturförändringar (t.ex. grovkornbildning, martensit). Då är JIc låg och fogen går sönder tidigare.
Verkstadspraxis och åtgärder
J-integralen mäts inte direkt i verkstaden. Den bestäms i laboratorium på standardiserade provstavar (t.ex. enligt ASTM E1820). För praktikern viktigt: Materialet måste ha tillräcklig brottseghet JIc. Typiska värden för byggstål ligger, beroende på stålkvalitet och temperatur, på ungefär 50–200 kJ/m². Vid svetsförband undersöker man värmepåverkad zon och svetsgodset separat. Väljer man svetsparametrar med för hög värmetillförsel grovkoras materialet och JIc sjunker. För låg värmetillförsel kan skapa martensit och försämra segheten på samma sätt. Därför: Följ svetsanvisningen, håll förvärmning och mellanlagertemperatur. Om en svetsfog måste tåla höga belastningar kräver beställaren ofta bevis på brottseghet via JIc. Då måste provstavar tas ur svetsfogen och skickas på provning.