Смещение раскрытия вершины трещины ( CTOD ) или- расстояние между противоположными гранями вершины трещины в положении пересечения 90 °. Положение за вершиной трещины, в котором измеряется расстояние, является произвольным, но обычно используется точка, где две линии под углом 45 °, начинающиеся от вершины трещины, пересекают грани трещины. [1] Параметр используется в механике разрушения для характеристики нагрузки на трещину и может быть связан с другими параметрами нагрузки на вершину трещины, такими как коэффициент интенсивности напряжений. и упругопластический J-интеграл .
Для условий плоского напряжения CTOD можно записать как: [2] [3]
где это предел текучести , длина трещины, - модуль Юнга , а - удаленное приложенное напряжение.
При усталостном нагружении диапазон перемещения вершины трещины во время цикла нагруженияможет использоваться для определения скорости роста усталости с использованием уравнения роста трещины . Расширение трещины на цикл, обычно порядка . [1]
История
Исследование разрушенных образцов для испытаний привело к наблюдению, что поверхности трещины раздвинулись до разрушения из-за притупления первоначально острой трещины в результате пластической деформации. Степень затупления трещин увеличивалась пропорционально ударной вязкости материала. [4] Это наблюдение привело к рассмотрению отверстия в вершине трещины как показателя вязкости разрушения. ХПК была первоначально независимо предложена Аланом Коттреллом и А.А. Уэллсом. [5] [6] Этот параметр получил название CTOD. Позднее Г. Р. Ирвин предположил, что пластичность вершины трещины заставляет трещину вести себя так, как будто она немного длиннее. Таким образом, оценка CTOD может быть сделана путем решения смещения в вершине физической трещины.
Использовать как параметр дизайна
CTOD - это единственный параметр, который учитывает пластичность вершины трещины. Его легко измерить по сравнению с такими методами, как J-интеграл. Это параметр разрушения, который имеет большее физическое значение, чем остальные.
Однако эквивалентность CTOD и J-интеграла доказана только для нелинейных материалов, но не для пластических материалов. Трудно расширить понятие CTOD для больших деформаций. J-интеграл легче вычислить в случае процесса проектирования с использованием методов конечных элементов .
Связь с другими параметрами вершины трещины
K и CTOD
CTOD можно выразить через коэффициент интенсивности напряжений. как: [7]
где предел текучести, - модуль Юнга и для плоского напряжения идля плоской деформации .
J-интеграл и CTOD
Связь между CTOD и J определяется следующим образом: [1] [8]
где переменная обычно составляет от 0,3 до 0,8.
Тестирование
Тест CTOD обычно проводится на материалах, которые перед разрушением подвергаются пластической деформации. Материал для испытаний более или менее похож на исходный, хотя размеры могут быть пропорционально уменьшены. Загрузка выполняется в соответствии с ожидаемой нагрузкой. Чтобы минимизировать экспериментальные отклонения, проводится более трех тестов. Размеры исследуемого материала должны оставаться пропорциональными. Образец помещается на рабочий стол, и ровно по центру создается выемка. Трещина должна образовываться такой, чтобы длина дефекта составляла примерно половину глубины. Нагрузка, приложенная к образцу, обычно представляет собой трехточечную изгибающую нагрузку. Для измерения раскрытия трещины используется тип тензодатчика, называемый зажимом для раскрытия трещин. [3] Вершина трещины пластически деформируется до критической точки, после которой возникает трещина раскола, которая может привести либо к частичному, либо к полному разрушению. Отмечаются критическая нагрузка и измерения тензодатчика при нагрузке, и строится график. Раскрытие вершины трещины можно рассчитать по длине трещины и раскрытию в устье надреза. В зависимости от используемого материала трещина может быть хрупкой или вязкой, о чем можно судить по графику.
Стандарты для тестирования CTOD можно найти в коде ASTM E1820 - 20a. [9]
Лабораторные измерения
В ранних экспериментах использовался плоский лопаточный калибр, который вставлялся в трещину; как только трещина открывается, лопаточный датчик вращается, и электронный сигнал отправляется на x – y плоттер. Однако этот метод был неточным, поскольку лопастным калибром было трудно достичь вершины трещины. Сегодня смещение V в устье трещины измеряется и определяется CTOD, предполагая, что половины образца являются жесткими и вращаются вокруг точки шарнира. [10]
Рекомендации
- ^ a b c Суреш, С. (2004). Усталость материалов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57046-6.
- ^ Янссен, Майкл (2004). Механика разрушения . Zuidema, J. (Ян), Wanhill, RJH (2-е изд.). Лондон: Spon Press. п. 150. ISBN 0-203-59686-2. OCLC 57491375 .
- ^ а б Soboyejo, WO (2003). «11.6.3 Размер пластической зоны». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
- ^ Ньюман младший, JC; Джеймс, Массачусетс; Цербст, У. (2003). «Обзор критерия перелома CTOA / CTOD». Инженерная механика разрушения . Эльзевир. 30 (3–4): 371–385.
- ↑ AA Wells, Симпозиум по распространению трещин , Cranfield, (1961) 210
- ^ Soboyejo, WO (2003). «11.7.1 Смещение раскрытия трещины». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
- ^ Андерсон, TL (24 июня 2005 г.). Механика разрушения: основы и приложения (Третье изд.). CRC Press. С. 104–105. ISBN 978-0-8493-1656-2.
- ^ Зендер, Алан Т. Механика разрушения . Дордрехт. п. 172. ISBN. 978-94-007-2595-9. OCLC 773034407 .
- ^ Комитет E08. «Метод испытаний для измерения вязкости разрушения» . DOI : 10.1520 / e1820-20a . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ BE Amstutz, MA Sutton, DS Dawicke "Экспериментальное исследование CTOD для стабильного роста трещин режима I / режима II в тонких алюминиевых образцах", ASTM Special 1995