Crack Tip Opening Displacement (CTOD)

Hoe een materiaal of lasverbinding weerstand biedt tegen propagatie van een vermoeiingsscheur

Op 27 maart 1980 kapseisde in de Noordzee het Alexander Kielland-boorplatform. Tijdens een zware storm kantelde het platform. Van de 212 mensen aan boord overleefden er slechts 89 de ramp. Uit de officiële onderzoeksrapporten werd geconcludeerd dat een scheur in één van de lasverbindingen de hoofdoorzaak was van één van de ergste offshore-rampen in de geschiedenis van Noorwegen. Voor gelaste constructies die onderhevig zijn aan vermoeiing, zal volgens de huidige normen het uitvoeren van CTOD-proeven een vereiste zijn om de structurele integriteit van een constructie te kunnen garanderen. Dit aanvullend op de standaard destructieve beproevingen zoals trekproeven, buigproeven, metallografie en kerfslagproeven. De CTOD-proef simuleert (op een conservatieve manier) hoe een materiaal of lasverbinding weerstand biedt tegen propagatie van een vermoeiingsscheur.

 

AFKORTINGEN EN DEFINITIES
Bij het beschrijven van de CTOD-proef worden veel afkortingen gebruikt. In onderstaande lijst worden deze begrippen verder verduidelijkt.
• SENB (Single Edge Notch Bend) - Typisch gebruikt proefstuk voor breukmechanische testen, waarbij het proefstuk wordt belast in driepuntsbuiging.
• CTOD (Crack Tip Opening Displacement) - Breukmechanische proef die de taaiheid van een materiaal karakteriseert, uitgedrukt in een δ-waarde met als eenheid millimeter.
• Clip gauge - Meetinstrument waarmee de verplaatsing van scheuropening wordt opgemeten.
• Pop-in - Korte instabiele scheurgroei waarna het proefstuk zich herstelt. Dit is waar te nemen in het kracht/verplaatsing-diagram als een verlies van kracht met een plots toenemende verplaatsing.

 

Wat is CTOD?

De CTOD-proef is een breuktaaiheidsproef waarbij een SENB-proefstuk, waarin zich een reële vermoeiing scheur bevindt, wordt onderworpen aan een driepuntsbuiging. Indien het te onderzoeken materiaal zich elastisch-plastisch gedraagt voordat er een finale, catastrofale breuk optreedt, kan de breukmechanische eigenschap van het materiaal gedefinieerd worden als een CTOD- of δ-waarde. Een δ-waarde wordt uitgedrukt in millimeter en is representatief voor de vervorming die optreedt ter hoogte van de scheurtip.

Deze proef geeft inzicht in de weerstand van een materiaal tegen verder scheuren als er een kerf met een beginnende vermoeiingsscheur aanwezig is. De scheurtip kan in deze proef uitrekken en de scheur kan open gaan staan, vandaar de naam Crack Tip Opening Displacement. De basisopstelling van deze proef is weergegeven in figuur 1.

Gedraagt het materiaal zich echter enkel elastisch en dus bros (geen of maar zeer beperkt plastische vervorming), dan zal de breukmechanische eigenschap van het materiaal gedefinieerd worden door middel van een stress-intensity factor (K). In dit artikel gaan we echter niet dieper in op het beproeven van materialen met een bros karakter.

Het karakteriseren van de breuktaaiheid van een materiaal (δ-waarde of K-waarde) maakt het mogelijk om een fitness-for-purpose analyse uit te voeren, waarbij een kritische defectgrootte kan worden bepaald. Met deze informatie kan, voorafgaand aan de fabricage, een geschikte NDO-techniek worden bepaald waarbij de detectiegevoeligheid zo gekozen is dat deze het mogelijk maakt om scheuren te detecteren kleiner dan deze kritische defectgrootte.

Indien een scheur wordt gedetecteerd in een bestaande constructie kan een engineering-critical-assessment worden uitgevoerd. Op een kritische manier wordt bepaald of de bestaande constructie nog veilig is om te gebruiken onder normale gebruiks- en belastingomstandigheden. Is dat niet het geval, dan zal de aanwezige scheur hersteld moeten worden om catastrofaal falen te vermijden.

Om de integriteit van een constructie te bepalen zal men conservatief te werk gaan en dus de breukmechanische eigenschappen van een materiaal bepalen voor een worstcasescenario. Hierbij is de juiste keuze van proefstaaf dimensies, oriëntatie en locatie van de vermoeiingsscheur en beproevingstemperatuur belangrijk.

In vergelijking met de relatief goedkope en eenvoudige kerfslag proef, omvat het CTOD beproeven een omvangrijkere testperiode, die kan worden onderverdeeld in onderstaande opeenvolgende processen.

1. Machinaal bewerken en kerven

In tegenstelling tot de goedkope 10 x 10 mm kerfslagproefstukken (Charpy-V) met een stompe, machinaal vervaardigde kerf, zal de dikte (dimensie B) van een CTOD-proefstuk gelijk zijn aan de volledige dikte van het te beproeven materiaal. Alle andere afmetingen van het CTOD-proefstuk zijn proportioneel. Dat wil zeggen dat de lengte, breedte en hoogte van elk proefstuk aan elkaar gerelateerd zijn. Onafhankelijk van materiaaldikte heeft elk proefstuk dus gelijkvormige afmetingen.

Er zijn twee basisvormen: een proefstuk met een vierkante doorsnede (BxB) en een proefstuk met een rechthoekige doorsnede (BxW of Bx2B), zoals geïllustreerd in figuur 2. De rechthoekige variant (Bx2B) wordt bij voorkeur gebruikt of aangeraden. Bijvoorbeeld, volgens EN 10225 (Lasbaar constructiestaal voor vaste buitengaatse constructies - Technische leveringsvoorwaarden) is het verplicht om gebruik te maken van een Bx2B-type proefstuk voor materialen met een dikte kleiner dan 75 mm.

 

Stel dat de breedte van het proefstuk gedefinieerd wordt als 'B', dan is de hoogte 'W' van het proefstuk gelijk aan 2B met een standaardlengte 'L' van 4,6 ∙ W. In het midden van het proefstuk wordt machinaal een kerf vervaardigd. Het uiteinde van deze kerf is vaak V-vormig om de initiatie van een vermoeiingsscheur te bevorderen.

2. Vermoeiing

Het machinaal bewerkte proefstuk wordt vervolgens gemonteerd op de driepuntsbuigopstelling van de hydraulische beproevingsmachine, waarna het proefstuk onderworpen wordt aan een cyclische belasting. Op deze manier zal de machinaal aangebrachte kerf worden verlengd met een realistische vermoeiingsscheur zoals die ook in de realiteit, in een constructie, aanwezig kan zijn. Dit vermoeiingsproces wordt beëindigd wanneer de vermoeiingsscheur een initiële scheurlengte, a₀ heeft bereikt, zodat de verhouding van a₀ over W groter is dan 0,45 en kleiner dan 0,70.

 

Belangrijk tijdens het vermoeiingsproces is de opgelegde spanningsintensiteitsfactor (K) of vermoeiingskracht (F). Deze mogen in functie van de scheurdiepte een bepaalde maximale waarde niet overschrijden. Is dit toch het geval, zal er zich een groot plastisch gebied vormen omheen de scheurtip, waardoor een ongeldige δ-waarde wordt bekomen.

3. Beproeven

Na het vermoeiingsproces zal het proefstuk in een driepuntsbuigopstelling worden beproefd, waarbij de snelheid van beproeven overeenstemt met condities van belastingen zoals die ook in de realiteit kunnen optreden.

Met een toenemende verplaatsing, zal de opgelegde belasting of kracht (F) ook toenemen. De op het proefstuk gemonteerde clip gauge zal tijdens deze opgelegde verplaatsing de notch-opening displacement (V) opmeten. Dit wordt in het Nederlands ook wel de opening van de machinaal aangebrachte kerf of scheurmond genoemd. De kracht (F) en notch-opening displacement (V) worden tijdens het beproeven automatisch geregistreerd en kunnen worden weergegeven in een kracht/verplaatsing-diagram (zie bijvoorbeeld figuur 4).

Tijdens het beproeven zal het proefstuk eerst elastisch vervormen, waarna er plastische vervorming optreedt, gevolgd door een stabiele en eventueel een onstabiele scheuruitbreiding, waardoor het proefstuk uiteindelijk faalt. De initiële scherpe vermoeiingsscheurtip zal afronden (crack-tip blunting) en vervormen. Hoe groter de afronding van de scheurtip (en dus een grotere vervorming), hoe groter de δ-waarde die wordt bekomen. Typisch wordt voor basismateriaal een minimale δ-waarde vereist van 0,15 mm.

 

Drie verschillende faalmodi

Het falen van een CTOD-proefstuk kan worden onderverdeeld in drie verschillende faalmodi (zie figuur 5):

1. Faalmodus - c: Het proefstuk is op een brosse manier gebroken, met geringe of geen plastische deformatie (brosse breuk). Typisch worden hier heel lage δ-waarden gevonden van bv. 0,02 mm. Het is in dit geval aangeraden om de breukmechanische eigenschap te bepalen als een K_lc-waarde (= de fractuurtol, uitgedrukt in MPa√m).
2. Faalmodus - u: Een curve waarbij er plastische vervorming optreedt, maar er onstabiele scheuruitbreiding ontstaat alvorens een maximum werd bereikt.
3. Faalmodus - m: De curve vertoont een volledig plastisch gedrag, waarbij een kracht (F_m) kan worden gevonden, waarna de belasting daalt met toenemende notch-opening displacement. Bij deze faalmodus worden de grootste δ-waarden gevonden.

Het is ook mogelijk dat er tijdens het beproeven een pop-in optreedt. Dit is een korte, instabiele scheurgroei, waarna het proefstuk zich herstelt. Indien een pop-in wordt beoordeeld als significant, dan zullen de δ-waarden worden berekend op basis van de plastische vervorming en stabiele scheuruitbreiding die zich net voor aanvang van de pop-in voordeden.

 

Beproevingstemperatuur

Een belangrijke parameter voor het bepalen van de breukmechanische eigenschappen van een materiaal is de beproevingstemperatuur. Algemeen wordt de proef uitgevoerd bij de minimum ontwerptemperatuur. Voor een offshore constructie die geplaatst wordt in de Noordzee kan dit bijvoorbeeld -20 °C of -10 °C zijn. Hoogwaardigere staalsoorten die gebruikt worden voor cryogene toepassing worden getest op een temperatuur van bv. -165 °C of -196 °C. Als vuistregel geldt dat op de minimum bedrijfstemperatuur een CTOD-waarde tussen 0,15 en 0,30 mm vereist is om voldoende taaiheid te demonstreren.

 

Aantal proefstukken

Standaard worden CTOD-proefstukken, net zoals bij kerfslagproeven, uitgevoerd per set van drie stuks om enige consistentie van de resultaten te garanderen. Wanneer een project moet voldoen aan bv. DNVGL-OS-C401, dan wordt de karakteristieke δ-waarde bepaald in functie van het aantal geldige testen die werden uitgevoerd. Wanneer er slechts drie geldige testen werden uitgevoerd, zullen de karakteristieke δ-waarden worden bepaald als het laagst bekomen resultaat. Wanneer men echter verkiest om 11 of meer proeven uit te voeren, worden de karakteristieke δ-waarden bepaald door het derde laagste resultaat.

4. Opmeten van de effectieve scheurdiepte

Alvorens de δ-waarde van een proefstuk kan worden berekend, is het vereist om de breukvlakken op te meten en de diepte van de initiële vermoeiingsscheur, a₀ te bepalen op negen locaties. De geldigheid van de CTOD-proef is afhankelijk van verschillende voorwaarden, zoals gedefinieerd in ISO 12135.

Indien een proefstuk maar een beperkte vermoeiingsdiepte heeft of als een onregelmatig vermoeiingsfront wordt vastgesteld, kan het zijn dat één of meerdere voorwaarden niet worden voldaan. In dat geval zijn de uitgevoerde CTOD-proef en bijhorende berekende δ-waarden niet in overeenstemming met de beschreven testmethode en is het aangeraden om de CTOD-proef te herhalen.

5. Bepalen van de CTOD-waarde

De δ-waarde van een materiaal voor een SENB-proefstaaf is afhankelijk van de kracht (F) en de hoeveelheid plastische notch opening displacement die wordt opgemeten tijdens de CTOD-proef. Hoe hoger de kracht (en hoe meer plastische vervorming), hoe meer weerstand het materiaal biedt tegen de aanwezigheid van een vermoeiingsscheur en dus hoe beter de breukmechanische eigenschappen van het materiaal.

Een δ-waarde is echter geen eigenschap die rechtstreeks kan worden opgemeten, maar wordt berekend aan de hand van een complexe formule. Andere parameters die noodzakelijk zijn voor een correcte berekening zijn de initiële scheurlengte (a₀), mechanische eigenschappen van het te beproeven materiaal (poisson coëfficiënt, trek- en rekgrens), opgemeten dimensies (B en W) van het SENB-proefstuk en de afstand (S) tussen de twee uiterste rollen van de driepuntsbuigopstelling. Als al deze gegevens bepaald zijn, kan de δ-waarde van een materiaal correct bepaald en gerapporteerd worden.

In vergelijking met kerfslagproeven of andere mechanische beproevingen omvat een CTOD-proef een uitgebreidere en complexere testprocedure, waardoor deze ook veel duurder is. Voor kwalificatie van een basismateriaal zal in de praktijk eerst worden voldaan aan de vereisten van de standaard mechanische beproeving. Indien aan al deze eisen is voldaan, wordt de weerstand van het materiaal tegen de aanwezigheid van een scheur getoetst door middel van een breukmechanische beproeving.

6. Breukmechanische eigenschappen van een gelaste verbinding

Indien bij een niet-destructieve controle van een gelaste constructie scheuren of andere lasonvolkomenheden worden vastgesteld, zal moeten bepaald worden of deze indicaties al dan niet hersteld moeten worden om de integriteit en veiligheid van de constructie te kunnen garanderen. Het is dan aangewezen dat deze evaluatie, bijvoorbeeld via een methode zoals beschreven in BS 7910, conservatief wordt uitgevoerd.

De juiste positionering en oriëntatie van de vermoeiingsscheur is daarom belangrijk, zodat na het uitvoeren van de CTOD-proef de laagste δ-waarde van de gelaste verbinding kan worden bepaald. Deze ondergrens van breukmechanische eigenschap zal vaak gevonden worden met een kerf doorheen de dikte van het materiaal, gepositioneerd in de Coarse Grain Heat Affected Zone (CG-HAZ).

Om deze zone maximaal te testen, zullen productienormen zoals DNVGL-OS-C401 verplichten om de te testen lasverbinding uit te voeren met een halve V- of K-naad. Voor elk machinaal bewerkte proefstuk zal het oppervlak gepolijst en geëtst worden, waarna een positie van de kerf wordt bepaald waarbij de specifieke microstructuur maximaal aanwezig is (zie figuur 7).

Na het kerven, beproeven en opmeten van de scheurdiepte, zullen de breukvlakken van de CTOD-proef bemonsterd worden ter hoogte van de kerftip. Hierna wordt met behulp van een lichtmicroscoop bepaald hoeveel procent van de gewenste specifieke microstructuur effectief getest is. Deze inspectie wordt uitgevoerd om de geldigheid van de beproevingsresultaten te evalueren.

 

Relevante normen

• EN ISO 12135 - Beproevingsmethode voor de bepaling van de quasistatische breuktaaiheid van basismateriaal.
• BS 7448-1 - Fracture Mechanics Toughness Tests - Part 1: Method for Determination of KIc, Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials.
• ASTM E1820 - Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness.
• EN ISO 15653 - Beproevingsmethode voor de bepaling van de quasistatische breuktaaiheid van lasmateriaal.
• BS 7910 - Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures.
• EN 10225-1 - Weldable structural steels for fixed offshore structures. Technical delivery conditions.
• DNVGL-OS-C401 - Fabrication and testing of offshore structures.
• Lloyd’s Register – Rules for the Manufacture, Testing and Certification of Materials – July 2020.
• API Recommended practice 2Z – Recommended practice for preproduction qualification for steel plates for offshore structures.
• NORSOK STANDARD M-101 - Structural steel fabrication.