Закрытие трещины - Crack closure

Закрытие трещины это явление в усталость нагрузка, при которой противоположные стороны трещины остаются в контакте даже с внешней нагрузкой, действующей на материал. По мере увеличения нагрузки будет достигнуто критическое значение, при котором трещина станет открыто. Закрытие трещины происходит из-за наличия материала, подпирающего поверхности трещины, и может возникать из многих источников, включая Пластическая деформация или фазовое превращение при распространении трещины, коррозия поверхности трещин, наличие жидкости в трещине или грубость на потрескавшихся поверхностях.^[1]

Описание

Эффект закрытия трещины (пример R = 0)

Во время циклической нагрузки трещина будет открываться и закрываться, вызывая смещение раскрытия вершины трещины (CTOD) циклически изменяться синхронно с приложенной силой. Если цикл нагружения включает период отрицательного отношения силы или напряжения ${\displaystyle R}$ (т.е. ${\displaystyle R<0}$), CTOD останется равным нулю, поскольку грани трещины прижимаются друг к другу. Однако было обнаружено, что CTOD также может быть нулевым в другое время, даже когда приложенная сила положительна, предотвращая коэффициент интенсивности напряжений достигнув минимума. Таким образом, амплитуда диапазона коэффициента интенсивности напряжений, также известного как движущая сила вершины трещины, уменьшается по сравнению со случаем, в котором смыкания не происходит, что снижает скорость роста трещины. Уровень закрытия увеличивается с коэффициентом напряжений и выше примерно ${\displaystyle R=0.7}$, поверхности трещин не соприкасаются, и закрытия обычно не происходит.^[2]

Приложенная нагрузка будет создавать коэффициент интенсивности напряжения в вершине трещины, ${\displaystyle K}$ производящие смещение раскрытия вершины трещины, CTOD. Рост трещины обычно является функцией диапазона коэффициента интенсивности напряжений, ${\displaystyle \Delta K}$ для применяемого цикла нагрузки и

${\displaystyle \Delta K=K_{\text{max}}-K_{\text{min}}}$

Однако закрытие трещины происходит, когда поверхности излома соприкасаются ниже открытие коэффициент интенсивности напряжения уровня ${\displaystyle K<K_{\text{op}}}$ даже при положительной нагрузке, что позволяет нам определить эффективный диапазон интенсивности напряжения ${\displaystyle \Delta K_{\text{eff}}}$ так как

${\displaystyle \Delta K_{\text{eff}}=K_{\text{max}}-K_{\text{op}}}$

что меньше номинального применяемого ${\displaystyle \Delta K}$.

История

Явление закрытия трещины было впервые обнаружено Эльбером в 1970 году. Он заметил, что контакт между поверхностями излома может иметь место даже во время циклической растягивающей нагрузки.^[3][4] Эффект закрытия трещины помогает объяснить широкий спектр данных об усталости и особенно важен для понимания влияния соотношения напряжений (меньшее закрытие при более высоком соотношении напряжений) и коротких трещин (меньшее закрытие, чем длинные трещины при той же интенсивности циклического напряжения) .^[5]

Механизмы закрытия трещин

Закрытие трещин из-за пластичности

Явление закрытия трещины из-за пластичности связано с развитием остаточного пластически деформированного материала на боковых сторонах продвигающейся усталостной трещины.^[6]

На степень пластичности в вершине трещины влияет уровень ограничений материала. Два крайних случая:

1. Под плоское напряжение В этих условиях кусок материала в пластической зоне имеет удлиненную форму, что в основном уравновешивается потоком материала вне плоскости. Следовательно, закрытие трещины, вызванное пластичностью, в условиях плоского напряжения может быть выражено как следствие растянутого материала за вершиной трещины, который можно рассматривать как клин, вставленный в трещину и уменьшающий циклическую пластическую деформацию в вершине трещины. и, следовательно, скорость роста усталостной трещины.^[7]
2. Под плоская деформация В условиях и постоянных амплитудах нагрузки на больших расстояниях за вершиной трещины отсутствует пластический клин. Однако материал в пластиковом следе пластически деформируется. Пластически разрезан; это срезание вызывает вращение исходного куска материала, и, как следствие, вблизи вершины трещины образуется локальный клин.^[8]

Закрытие трещины, вызванное фазовым превращением

Мартенситное превращение, вызванное деформацией в поле напряжения вершины трещины - еще одна возможная причина закрытия трещины. Впервые он был изучен Пино, Пеллу и Хорнбогеном на метасталических аустенитных нержавеющих сталях. Эти стали превращаются из аустенитный к мартенситный структура решетки при достаточно высокой деформации, что приводит к увеличению объема материала перед вершиной трещины. Следовательно, при контакте поверхностей трещин друг с другом могут возникать сжимающие напряжения.^[9] Это вызванное трансформацией закрытие сильно зависит от размера и геометрии испытательного образца и усталостной трещины.

Закрытие трещин, вызванное оксидом

Оксид-индуцированное закрытие возникает там, где при распространении трещин происходит быстрая коррозия. Это происходит, когда основной материал на поверхности излома подвергается воздействию газовой и водной атмосферы и становится окисленный.^[10] Хотя окисленный слой обычно очень тонкий, при непрерывной и повторяющейся деформации загрязненный слой и основной материал испытывают повторяющееся разрушение, обнажая еще больше основного материала и, таким образом, образуя еще больше оксидов. Окисленный объем увеличивается и обычно превышает объем основного материала вокруг поверхностей трещин. Таким образом, объем оксидов можно интерпретировать как клин, вставленный в трещину, уменьшающий диапазон интенсивности действующих напряжений. Эксперименты показали, что закрытие трещин, вызванное оксидом, происходит как при комнатной, так и при повышенной температуре, а накопление оксида более заметно при низких значениях R-отношения и низких (околопороговых) скоростях роста трещин.^[11]

Закрытие трещин из-за шероховатости

Несовпадение поверхностей излома при закрытии трещин, вызванных шероховатостью

Закрытие, вызванное шероховатостью происходит с Режим II или сдвигового типа нагружения в плоскости, которое происходит из-за несовпадения шероховатых поверхностей излома верхней и нижней частей трещины.^[10] Из-за анизотропия и неоднородность В микроструктуре при приложении нагрузки режима II локально происходит деформация вне плоскости, и, таким образом, присутствует микроскопическая шероховатость поверхностей усталостных изломов. В результате эти несоответствующие клинья входят в контакт во время процесса усталостной нагрузки, что приводит к закрытию трещины. Несовпадение поверхностей излома также имеет место в дальней зоне трещины, что можно объяснить асимметричным смещением и вращением материала.^[12]

Закрытие трещины, вызванное шероховатостью, оправдано или допустимо, когда шероховатость поверхности того же порядка, что и смещение раскрытия трещины. На него влияют такие факторы, как размер зерна, история нагружения, механические свойства материала, коэффициент нагрузки и тип образца.

использованная литература

1. Pippan, R .; Хоэнвартер, А. (01.02.2017). «Закрытие усталостной трещины: обзор физических явлений». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций. 40 (4): 471–495. Дои:10.1111 / ffe.12578. ISSN  8756-758X. ЧВК  5445565. PMID  28616624.
2. Зендер, Алан (2012). Механика разрушения. Springer Science + Business Media. п. 73. ISBN  9789400725942.
3. Эльбер, Вольф (1970). «Закрытие усталостной трещины при циклическом растяжении». Инженерная механика разрушения. 2: 37–45. Дои:10.1016/0013-7944(70)90028-7.
4. Эльбер, В. (1971). «Значение закрытия усталостной трещины». Устойчивость к повреждениям в конструкциях самолетов. С. 230–230–13. Дои:10.1520 / STP26680S. ISBN  978-0-8031-0031-2.
5. Тейлор, Дэвид (2007). Теория критических расстояний - новый взгляд на механику разрушения. Эльзевир. п. 166. ISBN  978-0-08-044478-9.
6. Pippan, R .; Коледник, О .; Ланг, М. (1994). «Механизм закрытия трещин, вызванных пластичностью, в условиях плоской деформации». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций. 17 (6): 721–726. Дои:10.1111 / j.1460-2695.1994.tb00269.x. ISSN  1460-2695.
7. Ранганатан, Н. (1999), "Анализ усталостного роста трещин с точки зрения закрытия трещин и энергии", Достижения в измерении и анализе закрытия усталостных трещин: второй том, ASTM International, стр. 14–14–25, Дои:10.1520 / stp15748s, ISBN  9780803126114
8. Антунес, Фернандо; Branco, R .; Родригес, Дульсе Мария (январь 2011 г.). «Пластичность индуцированного закрытия трещин в условиях плоской деформации». Ключевые инженерные материалы. 465: 548–551. Дои:10.4028 / www.scientific.net / kem.465.548. ISSN  1662-9795.
9. Mayer, H.R .; Stanzl-Tschegg, S.E .; Sawaki, Y .; Hühner, M .; Хорнбоген, Э. (2007-04-02). «Влияние закрытия трещин, вызванных трансформацией, на медленный рост усталостной трещины при нагружении переменной амплитуды». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций. 18 (9): 935–948. Дои:10.1111 / j.1460-2695.1995.tb00918.x.
10. Суреш, С .; Ричи, Р. О. (сентябрь 1982 г.). «Геометрическая модель закрытия усталостной трещины, вызванной шероховатостью поверхности излома». Металлургические операции A. 13 (9): 1627–1631. Bibcode:1982MTA .... 13.1627S. Дои:10.1007 / bf02644803. ISSN  0360-2133.
11. Суреш, С .; Замиски, Г. Ф .; Ричи, Д. Р. О. (август 1981 г.). «Оксид-индуцированное закрытие трещин: объяснение поведения роста трещин, близких к пороговому, коррозионно-усталостной». Металлургические операции и операции с материалами A. 12 (8): 1435–1443. Дои:10.1007 / bf02643688. ISSN  1073-5623.
12. Pippan, R; Штробль, Г; Kreuzer, H; Моц, К. (сентябрь 2004 г.). «Асимметричная пластичность следа трещины - причина смыкания трещин из-за шероховатости». Acta Materialia. 52 (15): 4493–4502. Дои:10.1016 / j.actamat.2004.06.014. ISSN  1359-6454.