Закрытие трещины

Закрытие трещины — это явление усталостного нагружения, когда противоположные стороны трещины остаются в контакте даже при внешней нагрузке, действующей на материал. По мере увеличения нагрузки достигается критическое значение, при котором трещина становится открытой . Закрытие трещины происходит из-за присутствия материала, поддерживающего открытые поверхности трещины, и может возникать по многим причинам, включая пластическую деформацию или фазовое превращение во время распространения трещины, коррозию поверхностей трещины, присутствие жидкостей в трещине или шероховатость поверхностей с трещинами. ^{[ 1 ]}

Описание

Во время циклического нагружения трещина открывается и закрывается, вызывая смещения раскрытия вершины трещины циклическое изменение (CTOD) в фазе с приложенной силой. Если цикл нагружения включает период отрицательной силы или коэффициента напряжений $R$ (т.е. $R<0$ ), CTOD останется равным нулю, поскольку берега трещины прижаты друг к другу. Однако было обнаружено, что CTOD также может быть нулевым в других случаях, даже когда приложенная сила положительна, предотвращая коэффициента интенсивности напряжения достижение минимума . Таким образом, амплитуда диапазона коэффициента интенсивности напряжений, также известная как движущая сила вершины трещины , уменьшается по сравнению со случаем, в котором не происходит закрытия, тем самым снижая скорость роста трещины. Уровень закрытия увеличивается с увеличением коэффициента напряжения и примерно выше $R=0.7$ Поверхности трещины не соприкасаются и закрытие обычно не происходит. ^{[ 2 ]}

Приложенная нагрузка создаст коэффициент интенсивности напряжения на вершине трещины, $K$ вызывая смещение раскрытия вершины трещины, CTOD. Рост трещин обычно является функцией диапазона коэффициентов интенсивности напряжений. $\Delta K$ для прикладного цикла нагрузки и

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

Однако закрытие трещины происходит, когда поверхности излома соприкасаются ниже раскрытия. коэффициента интенсивности напряжений на уровне $K<K_{\text{op}}$ даже при положительной нагрузке, что позволяет нам определить эффективный диапазон интенсивности напряжения $\Delta K_{\text{eff}}$ как

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

что меньше применяемого номинала $\Delta K$ .

История

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

Механизмы закрытия трещин

Закрытие трещин, вызванное пластичностью

Явление пластического закрытия трещин связано с развитием остаточного пластически деформированного материала на берегах продвигающейся усталостной трещины. ^{[ 6 ]}

Степень пластичности вершины трещины зависит от уровня закрепления материала. Два крайних случая:

В условиях плоского напряжения кусок материала в пластической зоне удлиняется, что в основном уравновешивается неплоским течением материала. Следовательно, пластическое закрытие трещины в условиях плоского напряжения может быть выражено как следствие растянутого материала за вершиной трещины, который можно рассматривать как клин, который вставляется в трещину и уменьшает циклическую пластическую деформацию в вершине трещины. и, следовательно, скорость роста усталостной трещины. ^{[ 7 ]}
В условиях плоской деформации и постоянных амплитуд нагрузки пластический клин на больших расстояниях за вершиной трещины отсутствует. Однако материал в пластическом следе пластически деформируется. Он пластически срезан; этот сдвиг вызывает вращение исходного куска материала, и, как следствие, вблизи вершины трещины образуется локальный клин. ^{[ 8 ]}

Закрытие трещин, вызванное фазовым превращением

деформационное мартенситное превращение Еще одной возможной причиной закрытия трещины является в поле напряжений вершины трещины. Впервые он был изучен Пино, Пеллу и Хорнбогеном на метастабильных аустенитных нержавеющих сталях. Эти стали при достаточно высокой деформации переходят из аустенитной в мартенситную структуру решетки, что приводит к увеличению объема материала перед вершиной трещины. Следовательно, при контакте поверхностей трещины друг с другом вероятны напряжения сжатия. ^{[ 9 ]} На это закрытие, вызванное трансформацией, сильно влияют размер и геометрия испытуемого образца и усталостной трещины.

Закрытие трещин, вызванное оксидами

Закрытие, вызванное оксидами, происходит там, где во время распространения трещины возникает быстрая коррозия. Это происходит, когда основной материал на поверхности излома подвергается воздействию газовой и водной атмосферы и окисляется . ^{[ 10 ]} Хотя окисленный слой обычно очень тонкий, при непрерывной и повторяющейся деформации загрязненный слой и основной материал подвергаются повторяющемуся разрушению, обнажая еще большую часть основного материала и, таким образом, образуя еще больше оксидов. Окисленный объем растет и обычно превышает объем основного материала вокруг поверхностей трещин. Таким образом, объем оксидов можно интерпретировать как клин, вставленный в трещину, уменьшающий диапазон интенсивности воздействия напряжений. Эксперименты показали, что закрытие трещин, вызванное оксидами, происходит как при комнатной, так и при повышенной температуре, а накопление оксидов более заметно при низких R-коэффициентах и низких (околопороговых) скоростях роста трещин. ^{[ 11 ]}

Закрытие трещин, вызванных шероховатостью

Закрытие, вызванное шероховатостью, происходит при нагрузке режима II или сдвига в плоскости, что происходит из-за несоответствия шероховатых поверхностей разрушения верхней и нижней частей трещины. ^{[ 10 ]} Из-за анизотропии и неоднородности микроструктуры при приложении нагрузки режима II локально возникает неплоская деформация, и, таким образом, на поверхностях усталостных изломов присутствует микроскопическая шероховатость. В результате эти несоответствующие клинья вступают в контакт в процессе усталостного нагружения, что приводит к закрытию трещины. Несоответствие поверхностей излома имеет место и в дальней зоне трещины, что можно объяснить асимметричным смещением и вращением материала. ^{[ 12 ]}

Закрытие трещин, 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.

Ссылки

^ Пиппан, Р.; Хоэнвартер, А. (01 февраля 2017 г.). «Закрытие усталостных трещин: обзор физических явлений» . Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций . 40 (4): 471–495. дои : 10.1111/ffe.12578 . ISSN 8756-758X . ПМЦ 5445565 . ПМИД 28616624 .
^ Цендер, Алан (2012). Механика разрушения . Springer Science+Business Media. п. 73. ИСБН 9789400725942 .
^ Элбер, Вольф (1970). «Закрытие усталостных трещин при циклическом растяжении». Инженерная механика разрушения . 2 : 37–45. дои : 10.1016/0013-7944(70)90028-7 .
^ Элбер, В. (1971). «Значение закрытия усталостных трещин». Устойчивость к повреждениям в конструкциях летательных аппаратов . стр. 230–230–13. дои : 10.1520/STP26680S . ISBN 978-0-8031-0031-2 .
^ Тейлор, Дэвид (2007). Теория критических расстояний – новый взгляд на механику разрушения . Эльзевир. п. 166. ИСБН 978-0-08-044478-9 .
^ Пиппан, Р.; Коледник О.; Ланг, М. (1994). «Механизм закрытия трещин, вызванный 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 .
^ Ранганатан, Н. (1999), «Анализ роста усталостных трещин с точки зрения закрытия трещин и энергии», Достижения в измерении и анализе закрытия усталостных трещин: второй том , ASTM International, стр. 14–14–25, doi : 10.1520/stp15748s , ISBN 9780803126114
^ Антунес, Фернандо; Бранко, Р.; Родригес, Дульсе Мария (январь 2011 г.). «Закрытие трещин, вызванное пластичностью, в условиях плоской деформации». Ключевые инженерные материалы . 465 : 548–551. дои : 10.4028/www.scientific.net/kem.465.548 . ISSN 1662-9795 . S2CID 137209902 .
^ Майер, HR; Штанцль-Чегг, SE; Саваки, Ю.; Хюнер, М.; Хорнбоген, Э. (2 апреля 2007 г.). «Влияние закрытия трещин, вызванных трансформацией, на медленный рост усталостных трещин при нагрузке переменной амплитуды». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций . 18 (9): 935–948. дои : 10.1111/j.1460-2695.1995.tb00918.x .
^ Jump up to: ^а ^б Суреш, С.; Ричи, Р.О. (сентябрь 1982 г.). «Геометрическая модель закрытия усталостных трещин, вызванных шероховатостью поверхности разрушения» . Металлургические операции А . 13 (9): 1627–1631. Бибкод : 1982MTA....13.1627S . дои : 10.1007/bf02644803 . ISSN 0360-2133 . S2CID 14822747 .
^ Суреш, С.; Замиски, Г.Ф.; Ричи, DRO (август 1981 г.). «Закрытие трещин, вызванное оксидами: объяснение поведения роста трещин, вызванных околопороговой коррозионной усталостью». Металлургические и сырьевые операции А . 12 (8): 1435–1443. Бибкод : 1981MTA....12.1435S . дои : 10.1007/bf02643688 . ISSN 1073-5623 . S2CID 137261193 .
^ Пиппан, Р; Штробль, Г; Кройцер, Х; Мотц, К. (сентябрь 2004 г.). «Асимметричная пластичность следа трещины - причина закрытия трещин, вызванного шероховатостью». Акта Материалия . 52 (15): 4493–4502. Бибкод : 2004AcMat..52.4493P . дои : 10.1016/j.actamat.2004.06.014 . ISSN 1359-6454 .

[:0-1] Пиппан, Р.; Хоэнвартер, А. (01 февраля 2017 г.). «Закрытие усталостных трещин: обзор физических явлений» . Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций . 40 (4): 471–495. дои : 10.1111/ffe.12578 . ISSN 8756-758X . ПМЦ 5445565 . ПМИД 28616624 .

[2] Цендер, Алан (2012). Механика разрушения . Springer Science+Business Media. п. 73. ИСБН 9789400725942 .

[3] Элбер, Вольф (1970). «Закрытие усталостных трещин при циклическом растяжении». Инженерная механика разрушения . 2 : 37–45. дои : 10.1016/0013-7944(70)90028-7 .

[4] Элбер, В. (1971). «Значение закрытия усталостных трещин». Устойчивость к повреждениям в конструкциях летательных аппаратов . стр. 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. ИСБН 978-0-08-044478-9 .

[6] Пиппан, Р.; Коледник О.; Ланг, М. (1994). «Механизм закрытия трещин, вызванный 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 роста усталостных трещин с точки зрения закрытия трещин и энергии», Достижения в измерении и анализе закрытия усталостных трещин: второй том , ASTM International, стр. 14–14–25, doi : 10.1520/stp15748s , ISBN 9780803126114

[8] Антунес, Фернандо; Бранко, Р.; Родригес, Дульсе Мария (январь 2011 г.). «Закрытие трещин, вызванное пластичностью, в условиях плоской деформации». Ключевые инженерные материалы . 465 : 548–551. дои : 10.4028/www.scientific.net/kem.465.548 . ISSN 1662-9795 . S2CID 137209902 .

[9] Майер, HR; Штанцль-Чегг, SE; Саваки, Ю.; Хюнер, М.; Хорнбоген, Э. (2 апреля 2007 г.). «Влияние закрытия трещин, вызванных трансформацией, на медленный рост усталостных трещин при нагрузке переменной амплитуды». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций . 18 (9): 935–948. дои : 10.1111/j.1460-2695.1995.tb00918.x .

[:1-10] Jump up to: ^а ^б Суреш, С.; Ричи, Р.О. (сентябрь 1982 г.). «Геометрическая модель закрытия усталостных трещин, вызванных шероховатостью поверхности разрушения» . Металлургические операции А . 13 (9): 1627–1631. Бибкод : 1982MTA....13.1627S . дои : 10.1007/bf02644803 . ISSN 0360-2133 . S2CID 14822747 .

[11] Суреш, С.; Замиски, Г.Ф.; Ричи, DRO (август 1981 г.). «Закрытие трещин, вызванное оксидами: объяснение поведения роста трещин, вызванных околопороговой коррозионной усталостью». Металлургические и сырьевые операции А . 12 (8): 1435–1443. Бибкод : 1981MTA....12.1435S . дои : 10.1007/bf02643688 . ISSN 1073-5623 . S2CID 137261193 .

[12] Пиппан, Р; Штробль, Г; Кройцер, Х; Мотц, К. (сентябрь 2004 г.). «Асимметричная пластичность следа трещины - причина закрытия трещин, вызванного шероховатостью». Акта Материалия . 52 (15): 4493–4502. Бибкод : 2004AcMat..52.4493P . дои : 10.1016/j.actamat.2004.06.014 . ISSN 1359-6454 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]