Description of crack propagation - theoretical approach and fitting accuracy to measurement results

• Autorzy: Szata M.

Warianty tytułu

PL

Opis propagacji szczeliny zmęczeniowej - podejście teoretyczne i dokładność dopasowania do wyników pomiarów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An energy criterion of fatigue crack propagation in the isotropic body has been formulated. It is based on the first principle of thermodynamics as a balance between energy variation rates (work of external forces, energy of body deformation, fracture energy, heat energy of the body) and the surface change due to fatigue crack under a cyclic loading. Finally, a kinetic equation of fatigue fracture as an analytical relation between the rate of fatigue crack surface propagation and the dissipation energy of [plastic deformation in the precracked zone has been obtained. The method of an approximate solution of such an equation and determination of the period of precritical crack growth has been suggested. This method in based on the assumption that kinetics of the surface variation of the cracks studied is close to the variation of the crack studied is close to the variation of a round crack with the same surface, but the solution for a crack is given in a closed form. The validity of this method has been confirmed is the case of an elliptical crack. A new method of constructing kinetic fatigue fracture diagrams (KFFD) has been presented on the basis of measurement results of hysteresis loop area for the isotropic body with an internal flat crack under cyclic loading. For the experimental verification, the results of fatigue crack propagation studies for 18G2A and 40H steels have been utilized. In contradistinction to the force factor Kmax, the energetic parameter DH describes synonymously the propagation rate of the fatigue crack independently of a cycle asymmetry R. The linear dependence of crack propagation rate da\dN on energy dissipation of plastic deformation before the crack tip for one loading cycle has been discussed with taking into consideration the consequences for fitting models in double logarithmic axes.

PL

Przedstawiono energetyczne kryterium propagacji szczeliny zmęczeniowej w ciele izotropowym. Wyprowadzono analityczną formułę równania kinetycznego rozwoju szczeliny zmęczeniowej. Aby uprościć rozwiązania, proponuje się zastosowanie metody powierzchni ekwiwalentnych. Podstawę tej metody stanowi hipoteza, że płaskie szczeliny z jednakowymi polami powierzchni, znajdujące się w jednorodnym polu naprężeń rozciągających, mają zbliżone wielkości obszarów DF przed frontem szczeliny (całej strefy plastycznej) oraz zbliżone wartości energii Ws i Wc. Z przedstawionych rozważań wynika, że otrzymane równanie kinetyczne wzrostu pola powierzchni i szczeliny zmęczeniowej można rozwiązywać albo bezpośrednio, obliczając trwałość elementu Ng albo z wykorzystaniem metody powierzchni ekwiwalentnych. Wyniki uzyskane dla szczeliny eliptycznej wskazują na przydatność metody powierzchni ekwiwalentnych. Jednym z celów pracy było opracowanie metody eksperymentalnego budowania wykresów kinetycznych pękania zmęczeniowego. W metodzie tej wykorzystuje się pomiar wielkości pętli histerezy, energii odkształcenia próbki ze szczeliną w procesie cyklicznego obciążenia. Przedstawiono rozważania teoretyczne, w których wykorzystano podejście energetyczne, oparte na doświadczalnym wyznaczaniu petli histerezy energii odkształcenia, odpowiadającej dyssypacji energii w jednym cyklu obciążenia. Wielkość wyznaczonej w ten sposób pochłoniętej energii jest bezpośrednio związana z intensywnością powrotnej plastycznej deformacji materiału przy wierzchołku szczeliny. Przedstawiono również samo doświadczalne wyznaczenie pola pętli histerezy i wykorzystanie go zgodnie z rozważaniami teoretycznymi. Pokazano, że zastosowanie opisu energetycznego, w którym wykorzystano uzyskaną eksperymentalnie pętlę histerezy energii odkształcenia materiału przy wierzchołku szczeliny, umożliwia jednoznaczną charakterystykę odporności na zmęczeniowy rozwój szczeliny niezależnie od asymetrii cyklu obciążenia. W przeciwieństwie do wykresów da/dN-DS, zbudowanych dla danego zakresu prędkości rozwoju pękania szczeliny, nie zaobserwowano różnic w kinetyce pękania. Oznacza to, że - w odróżnieniu od siłowego parametru D- parametr energetyczny DS jednoznacznie opisuje prędkość zmęczeniowego rozwoju szczeliny niezależnie od współczynnika asymetrii cyklu R.

Słowa kluczowe

EN

kinetic equation; fracture; cyclic fatigue; fracture crack rate

PL

szczelina zmęczeniowa; pękanie zmęczeniowe

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 6, no 1
• Strony: 47--63
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szata M.

• Wrocław University of Technology. Institute of Materials Sciences and Applied Mechanics, ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław

Bibliografia

• [1] Kocanda S., Kocanda D.: Fatigue short cracks. Experimental analysis and analytical description, German-Polish VI School on Fracture Mechanics, 2000, Publishing House of TU Dresden.
• [2] Neimitz A.: Fracture Mechanics (in Polish), WN PWN, Warsaw, 1998.
• [3] Rykaluk K.: Pęknięcia w konstrukcjach stalowych (in Polish), Dolnośląskie Wydawnic-two Edukacyjne, Wrocław, 2000.
• [4] Stosiak M., Szata M.: Metodyka badań eksperymentalnych przy opisie pękania, Górnic-two Odkrywkowe, 2003, Nr 2/3, s. 122-125.
• [5] Szata M., Frątczak R.: Linearity and non-linearity effects in crack propagation model, [in:] Mechanika rujnuvannja materialiv i micnist' konstrukcij, Pid red. V.V. Panasjuka. [L'viv, 22-26 cervnja, 2004]. L'viv: Nacjonal'naja akademija nauk Ukrainy, 2004, s. 57-63.
• [6] Szata M.: Theoretical and experimental aspects of energy in mechanics of fatigue macro-crack propagation, Studia Geotechnica et Mechanica, 1999, 3-4, 75-85.
• [7] Szata M.: Modeling of fatigue crack growth using energy method (in Polish), Publishing House of Wrocław University of Technology, Wrocław, 2002.
• [8] Szata M., Dąbrowska-Szata M.: Fatigue fracture, crack initiation and description of propagation, 20th Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Solid Me-chanics, 2003, Györ, Hungary, 228-229.
• [9] Szata M.: Experimental data fitting in crack propagation model, 22th Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics, 2005, Parma, Italy, 152-153.