Lyhyen särön pysähtymisen kvantitatiivinen ennustaminen

Abstract

Työn tarkoitus on syventää olemassa olevaa ymmärrystä väsymissärön etenemisestä, pysähtymisestä ja väsymisrajan muodostumisesta. Väsymissärön pysähtymisen kvantitatiivista ennustamista vakioamplitudisessa kuormituksessa tavoitellaan laajalla kolmiulotteisella kimmoplastisella elementtimenetelmäanalyysillä, jossa särö ydintyy pintavikaan kuormituksen ollessa lähellä empiiristä väsymisrajaa. Pintavikojen ja väsymisrajan käsittelyssä hyödynnetään Murakamin ja Endon kehittämää √area-mallia. Plastisuuden aiheuttaman särön sulkeutumisen voimakkuutta käytetään määrittämään tehollisen jännitysintensiteettikertoimen vaihteluväli, jonka perusteella arvioidaan särön pysähtymisen mahdollisuutta. Työssä havaitaan, että plastisuuden aiheuttama särön sulkeutuminen on yksi avaintekijöistä särön pysähtymisessä. Plastisuuden aiheuttama särön sulkeutuminen itsessään on riittävä tuottamaan tehollisen jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin kehitykseen paikallisen minimikohdan, joka antaa edellytyksen särön pysähtymiselle. Samanlaisuuskonseptin vaatimaa yhteistä tehollista kynnysarvoa ∆Kth,eff, jonka pitäisi olla materiaalivakio, ei kuitenkaan pystytty löytämään huomioimalla ainoastaan plastisuuden aiheuttama sulkeutuminen. Päätelty ∆Kth,eff osoittaa riippuvuutta kuormitussuhteesta ja vikakoosta, mikä viittaa siihen, että myös muiden sulkeutumismekanismien vaikutus on merkittävää. Johdonmukaisesti vakioamplitudisessa kuormituksessa tapahtuvan pintasärön pysähtymisen pitäisi olla seurausta konsistenteista särön sulkeutumismekanismeista, eikä väsymisrajan kannalta konservatiivisessa särön pysähtymisen ennustamisessa tulisi ottaa huomioon muita säröä ajavaa voimaa heikentäviä mekanismeja.

Present work aims to investigate crack propagation and crack arrest, as well as their link to fatigue limit. Fatigue crack non-propagation is quantitatively assessed under a cyclic constant amplitude load near an empirical crack propagation threshold. Numerous 3D elastic-plastic finite element crack propagation simulations are conducted of a short crack initiated at a surface defect, using the Murakami–Endo √area-model. The effective stress intensity factor range is derived from the level of plasticity-induced crack closure and evaluated according to the prospect of crack arrest. It is shown that plasticity-induced crack closure plays a critical role in crack arrest. A local minimum in the effective stress intensity factor range development can form solely as a product of plasticity-induced crack closure, giving a prerequisite to crack non-propagation even in the absence of other mechanisms of crack closure. However, the intrinsic stress intensity factor range threshold ∆Kth,eff, consistent with the similitude concept, is not reached if only plasticity-induced crack closure is taken into account. The derived ∆Kth,eff remains dependent of load ratio and defect size, suggesting also a significant contribution of other closure mechanisms. It is concluded that quantitative prediction of non-propagation behavior in engineering applications should only involve consistent crack closure mechanisms for considerations regarding fatigue strength to remain conservative.