1999. ، 752 صفحه
شکستگی چیست؟ ساده ترین پاسخ این خواهد بود: "فرآیند شکستن" یا "شرط شکسته شدن". در واقع، شکستگی و شکستن هر دو را می توان در یک ریشه هندواروپایی، bhreg (شکستن) ردیابی کرد. هر اصطلاح می تواند یک اسم یا یک فعل باشد.
استفاده رایج در روز از کلمه "شکستگی" به خوبی تعریف نشده است. ممکن است به چیزی اشاره داشته باشد که در حال شکسته شدن (یا شکسته) است، یا ممکن است نشان دهنده وجود شکاف باشد. در کار حاضر، "شکستگی" برای رشد ترک ناپایدار، یا در تمام طول یک بخش ساختاری یا تا جایی که استحکام یا سفتی قطعه به طور قابل توجهی کاهش می یابد، ذخیره می شود.
< /div>یک ترک ممکن است به عنوان جداسازی مواد با باز کردن یا لغزش تعریف شود، با فاصله جداسازی به طور قابل توجهی کوچکتر از وسعت جداسازی - طول ترک. فاصله جداسازی اغلب با برخی از ابعاد طول ریز ساختاری قابل مقایسه است، به عنوان مثال فاصله بین ناهمگنی های بزرگتر در مواد، مانند آخال ها. در موارد شدید، فاصله جداسازی ممکن است در حد فاصله اتمی باشد، و طول ترک، اگرچه در مقایسه با این فاصله هنوز بزرگ است، ممکن است از برخی ابعاد ریز ساختاری بزرگتر، به عنوان مثال اندازه دانه، کوچکتر باشد. سپس مناسب است در مورد یک میکرو ترک صحبت کنیم. ریز ترکها نقش مهمی در فرآیندهای شکست دارند، اما انواع دیگر جداسازی مواد در سطح میکروسکوپی، بهویژه حفرههای داخلی (سوراخ) نیز نقش مهمی ایفا میکنند. اصطلاح کلی برای جداسازی مواد در سطح میکروسکوپی، جداسازی میکرو است.
از نقطه نظر عملی، بسیاری از ترک ها ممکن است بی ضرر در نظر گرفته شوند، یعنی منجر به شکست، شکستگی. یک سازه بزرگ، مانند یک تانکر، احتمالاً حاوی چندین هزار ترک ماکروسکوپی و چندین میلیون ترک کوچک است. اساساً تنها آن ترکهایی که در نواحی با فشار زیاد قرار دارند باید بهعنوان آغازگر احتمالی شکست در نظر گرفته شوند، و این تنها در صورتی که بزرگتر از اندازه معینی باشند. این یکی از اهداف اصلی مکانیک شکست است که بفهمد کدام ترکها خطر آشکار شکستگی را تشکیل میدهند و کدام یک خطر شکستگی را ندارند.
رشد ترک به شرایط بارگذاری و شرایط محیطی بستگی دارد. ممکن است بسیار سریع، بیش از 1000 متر بر ثانیه، و ممکن است بسیار کند، کمتر از 1 میلی متر در سال باشد.
شرایط بارگذاری شامل بسیاری از انواع متمایز، ایستا، پویا ، بار کنترل شده، کنترل گریپ، و غیره. باید تمایز مهمی بین بارگذاری یکنواخت، یعنی افزایش یکنواخت بار تا رسیدن به یک سطح معین یا خرابی مکانیکی، و بارگذاری مکرر، چرخه ای یا غیر چرخه ای، قائل شد. سازه های بسیار کمی، مانند اجسامی که با وزن خود بارگذاری می شوند، در واقع در معرض بارگذاری یکنواخت قرار می گیرند. برخی از سازه ها به طور قابل توجهی در معرض بیش از ده هزار بار کاربردی هستند. اگر شکستگی پس از کاربردهای بار زیادی رخ دهد، به آن خستگی یا به طور واضح تر، خستگی چرخه بالا گفته می شود. منظور از خستگی سیکل پایین، خستگی پس از اعمال بار نسبتاً کمی است، معمولاً کمتر از ده هزار بار!
شرایط محیطی مانند دما و جو خورنده بر رشد ترک تأثیر میگذارند. در دمای بالا، معمولاً چند صد درجه سانتیگراد، فلزات رشد ترک را از طریق خزش نشان می دهند، یعنی رشد ترک آهسته حتی در بار ثابت.
چارچوب اساسی ارائه شده در این کتاب این است که تا حد زیادی در اکثر انواع رشد ترک و شکستگی مشترک است. با این حال، خستگی در چرخه بالا، رشد ترک خزشی و رشد ترک در اثر خوردگی به صراحت پوشش داده نخواهد شد.
شکستگی تنها یکی از راههایی است که از طریق آن شکست مکانیکی میتواند رخ دهد. انواع دیگر فرآیندهایی که منجر به شکست مکانیکی می شوند، خوردگی و سایش هستند. این مکانیسم ها در حوزه کتاب حاضر نیستند. با این حال، فروپاشی پلاستیک بسیار نزدیک به شکستگی است. به عنوان مثال، در یک قطعه آزمایش کششی انعطاف پذیر، ناپایداری پلاستیک مقدم بر رشد ترک است (حداقل در مقیاس کلان)، و این واقعیت که گسیختگی نهایی از طریق شکستگی رخ می دهد، از نقطه نظر عملی جالب نیست: کاملا واضح است که ناپایداری پلاستیک باید برای شکست مقصر شناخته شوند. در موارد دیگر، ترتیب معکوس رویدادها رخ می دهد، به عنوان مثال در شکست ناشی از خم شدن یک تیر انعطاف پذیر: رشد ترک ممکن است سختی تیر را به قدری کاهش دهد که فروریختن پلاستیک بر آن تأثیر بگذارد، اما شکست ممکن است از قبل یک واقعیت باشد وقتی این اتفاق می افتد. بنابراین وقوع ریزش پلاستیک از نقطه نظر عملی نسبتاً جالب نیست.
در سازه های مهندسی، رشد ترک معمولاً از طریق باز کردن شکاف بین سطوح ترک اتفاق می افتد. این مکانیسم معمولاً به عنوان حالت باز یا حالت I نامیده می شود. در موارد دیگر، عمدتاً در زلزله و رویدادهای مرتبط، رشد ترک از طریق لغزش بین سطوح ترک اتفاق می افتد. این حالت حالت لغزشی یا حالت برشی نامیده می شود و بسته به اینکه جهت لغزش با لبه ترک نرمال یا موازی باشد، دو نوع حالت II و حالت III وجود دارد. اغلب هر دوی این حالت ها با هم اتفاق می افتند (به اصطلاح رشد حالت مخلوط نامیده می شود)، اما به نظر نمی رسد حالت I به راحتی با دو حالت دیگر ترکیب شود.
مکانیک شکست یک رشته نسبتاً جوان است. . حتی اگر علاقه به پیشبینی شکستگی احتمالاً قدیمیتر از تمدن ما باشد، رویکرد سیستماتیک به مشکلات مربوط به رشد ترکهای ماکروسکوپی از قبل موجود، که مکانیک شکست در مورد آن است، معمولاً یک نگرانی قرن بیستم است. ابزارهای پایه ریاضی توسط کولوسف (1909) در پایان نامه دکترای خود در دانشگاه دورپات (تارتو کنونی) استونی ایجاد شد. Inglis (1913)، آشکارا به طور مستقل، همچنین یک مشکل اصلی ترک را حل کرد، و در بحث از مقاله Inglis، B. Hopkinson (1913) پیشنهاد کرد که پدیدههای غیرخطی نزدیک لبه ترک باید در نظر گرفته شوند. این کار سرانجام توسط گریفیث (1920) انجام شد، اما با استفاده از ملاحظات انرژی و مفهوم انرژی سطحی، او از تحلیل همسایگی لبه ترک اجتناب کرد. آزمایشهای گریفیث با میلههای شیشهای نازک، وایبول (1939a,b) را بر آن داشت تا یک نظریه آماری در مورد شکستگی ایجاد کند. Orowan (1952) رویکرد گریفیث را به تمام موارد تسلیم در مقیاس کوچک (که در آن جریان پلاستیک به ناحیه کوچکی نزدیک لبه ترک محدود می شود) با گنجاندن تمام انرژی اتلاف کننده، اساساً انرژی سطحی و کار پلاستیک، گسترش داد. ایروین (1957) مفاهیم جدید و مناسبی مانند ضریب شدت تنش (در اصل نیروی محرکه ترک) و نرخ آزادسازی انرژی را معرفی کرد. ضریب شدت تنش بحرانی یا به طور معادل، چقرمگی شکست، به مفاهیمی تبدیل شد که پایه و اساس مکانیک شکست خطی (الاستیک) (LEFM) را بنا نهاد. بارنبلات (1959a,b) مفهوم خودمختاری میدان در نزدیکی لبه ترک را معرفی کرد و یک مدل خطی از مجاورت لبه ترک به مفهوم مدول پیوستگی او منجر شد. در واقع، تمام مفاهیم مختلف مورد استفاده در LEFM به طور صریح یا ضمنی تحت فرض خودمختاری توسعه مییابند، که بنابراین اساس LEFM را فراهم میکند. به طور خلاصه، استقلال به این معنی است که فرآیندهای نزدیک به لبه ترک همیشه در هر ماده، صرف نظر از هندسه بدنه و بارگذاری، تحت شرایط کلی مشخص شده یکسان هستند.
پس از دهه 1950 پیشرفت در زمینه های مکانیک ترک و مکانیک شکست از نظر کمی و کیفی بسیار چشمگیر بوده است. نمی توان این تحول را در فضای نسبتاً محدودی توصیف کرد، اما به چند نام اشاره می شود. اولین چیزی که به ذهن می رسد J.R. Rice است که از اواسط دهه 60 تقریباً در همه زمینه ها در مکانیک ترک و شکست، از جمله معرفی مفهوم J-integral، یک انتگرال مستقل از مسیر، برای تجزیه و تحلیل ترک مشارکت های برجسته ای داشته است (Rice 1968a). که شالوده مکانیک شکست غیرخطی را برای مشارکتهای اخیر در مورد انتشار ترک دینامیکی سه بعدی ایجاد کرد (Geubelle and Rice, 1995, Cochard and Rice, 1997, Morrisey and Rice, 1998). تأثیر او در کل حوزه منحصر به فرد و عظیم بوده است. در زمینه پویا، مشارکت های قابل توجه و پیشگام توسط B.V. Kostrov و L.B. فروند شایسته ذکر ویژه است. کوستروف چندین مسئله مهم را برای فیزیک منبع زلزله و انتشار ترک دینامیکی به طور کلی حل کرد. او اولین کسی بود که مشکل انبساط ناپایدار ترک را حل کرد (کوستروف، 1966). در میان مشارکتهای متعدد فروند میتوان به مجموعهای از چهار مقاله در مورد انتشار ترک با سرعت غیر ثابت و سایر مشکلات دینامیکی، مانند برهمکنش موج تنش با ترکها اشاره کرد (Freund 1972a,b, 1973, 1974a). در نهایت باید به تی یوکوبوری اشاره کرد، هم به دلیل شایستگی های برجسته او به عنوان یک دانشمند و هم به دلیل استعدادهای سازمانی: او موسس کنگره بین المللی شکستگی است که در سال 1965 آغاز به کار کرد و به عنوان یک انجمن تبادل نظر اهمیت عمیقی داشت. ایده ها و تجربیات از طریق کنفرانس های چهارساله آنها. کتاب او در مورد مکانیک شکست که برای اولین بار در سال 1955 به زبان ژاپنی منتشر شد و ده سال بعد به انگلیسی ترجمه شد (Yokobori 1965)، به نظر می رسد اولین تک نگاری در این زمینه باشد.
یک مقاله وجود دارد. تعداد نسبتاً زیادی کتاب و مرور کلی مربوط به مکانیک شکست. خلاصه ای از وضعیت هنر در پایان دهه 1960 در یک رساله بزرگ هفت جلدی در مورد شکستگی ارائه شده است که توسط H. Liebowitz (1968-1972) ویرایش شده است. کتاب های دیگر توسط اندرسون (1995)، بروک (1982)، چریپانوف (1979)، فروند (1990)، هان (1976)، هلان (1984)، هرزبرگ (1983)، کانینن و پوپلار (1985)، کاریهالو (1995) نوشته شده است. نات (1979)، لاون (1993) و یوکوبوری (1965). همچنین چندین کتاب در مورد موضوعات تخصصی مانند روش های کامپیوتری در مکانیک شکست، انتشار ترک خستگی و رشد ترک خزشی وجود دارد. برخی از این موارد، به عنوان مثال کتاب ریدل (1987) در مورد شکستگی در دماهای بالا، ویژگی های کلی ترک ها و شکستگی ها را نیز توضیح می دهد.
این جلد بر اساس کار تحقیقاتی است. در زیر شاخه های مختلف مکانیک ترک و شکست از سراسر جهان. انتخاب به طور طبیعی منعکس کننده علایق و تجربیات من است. دو فصل اول به فرآیندهای فیزیکی در مجاورت لبه ترک و ایجاد شکستگی می پردازد. فصل 3 مفاهیم اساسی و روابط عمومی را در مکانیک ترک توسعه می دهد، مانند انتگرال های مستقل از مسیر، عوامل شدت تنش و شار انرژی در منطقه فرآیند. فصلهای 4-7 به تجزیه و تحلیل ترکهای الاستاتیک، ترکهای الاستیک-پلاستیک ثابت یا با حرکت آهسته، فرآیندهای ترک الاستودینامیک و دینامیک ترک الاستیک-پلاستیک میپردازند. در فصل 8 جنبه های فیزیکی و مهندسی فرآیندهای منجر به شکست در نظر گرفته شده است و فصل 9 به مکانیک شکست دینامیکی می پردازد. ضمائم شامل فرمول های کلی، نظریه پایه توابع تحلیلی، مقدمه ای بر تبدیل های لاپلاس، ملین و هانکل، و شرح برخی از روابط اساسی، به عنوان مثال برای امواج تنش در جامدات است. کتابشناسی گسترده ای وجود دارد که ارجاعاتی به آثار کلاسیک و اخیر را پوشش می دهد.
توضیحاتی در مورد کتاب به زبان اصلی :
1999. , 752 pages
From Introduction:
What is fracture? The simplest answer would be: "the process of breaking" or "the condition of being broken". Actually, both fracture and break can be traced to the same Indo-European root, bhreg (to break). Each term can be either a noun or a verb.
Common-day use of the word "fracture" is not well-defined. It may refer to something that is being (or has been) broken apart, or it may indicate the presence of a crack. In the present work, "fracture" will be reserved for unstable crack growth, either all the way through a structural part or so far that the strength or stiffness of the part becomes considerably reduced.
A crack may be defined as a material separation by opening or sliding, with the separation distance substantially smaller than the separation extent - the crack length. The separation distance is often comparable to certain micro-structural length dimensions, for instance the distance between larger inhomogeneities in the material, such as inclusions. In extreme cases, the separation distance may be of the order of the atomic distance, and the crack length, while still large compared to this distance, may be smaller than some larger micro-structural dimensions, for instance a grain size. It is then appropriate to talk about a micro-crack. Micro-cracks play an important part in fracture processes, but so also do other types of material separation on a microscopic level, particularly internal voids (holes). The general term for a material separation on a microscopic level is a micro-separation.
From a practical point of view, many cracks may be considered as harmless, i.e. not leading to fracture. A big structure, such as a tanker, contains probably several thousand macroscopic cracks and several million micro-cracks. Essentially only those cracks that are situated in highly strained regions should be regarded as potential fracture initiators, and this only if they are larger than a certain size. It is a major objective of fracture mechanics to find out which cracks constitute an obvious risk for fracture and which do not.
Crack growth depends on loading conditions and environmental conditions. It may be extremely fast, over 1000 m/s, and it may be extremely slow, less than 1 mm/year.
Loading conditions include many distinct types, static, dynamic, load controlled, grip controlled, etc. An important distinction should be made between monotone loading, i.e. monotonically increasing load until either a certain level is reached or mechanical failure occurs, and repeated loading, cyclic or non-cyclic. Very few structures, such as objects loaded by their own weight, are actually exposed to monotone loading. Some structures are exposed to considerably more than ten thousand load applications. If fracture occurs after so many load applications it is referred to as fatigue, or, more clearly, high-cycle fatigue. By low-cycle fatigue is meant fatigue after relatively few load applications, usually fewer than about ten thousand!
Environmental conditions such as temperature and corrosive atmosphere influence crack growth. At a high temperature, usually several hundred degrees Celsius, metals show crack growth through creep, i.e. slow crack growth even at constant load.
The basic framework presented in this book is to a large extent common to most types of crack growth and fracture. High-cycle fatigue, creep crack growth and crack growth under corrosion will not, however, be explicitly covered.
Fracture is only one way by which mechanical failure can occur. Other types of processes leading to mechanical failure are corrosion and wear. These mechanisms do not belong to the scope of the present book. Very closely related to fracture, however, is plastic collapse. In a ductile tensile test piece, for instance, plastic instability precedes crack growth (at least on a macro-scale), and the fact that the final rupture occurs through fracture is uninteresting from a practical point of view: quite obviously the plastic instability should be given the blame for the failure. In other cases, the opposite order of events occurs, for instance at failure caused by bending of a ductile beam: crack growth may reduce the beam stiffness so much that plastic collapse takes over, but the failure may already be a fact when this happens, so the occurrence of plastic collapse is fairly uninteresting from a practical point of view.
In engineering structures, crack growth occurs generally through opening of a gap between the crack surfaces. This mechanism is conventionally referred to as the opening mode or mode I. In other cases, mainly in earthquakes and related events, crack growth occurs through sliding between the crack surfaces. This mode is called the sliding mode or shearing mode, and there are two varieties, mode II and mode III, depending on whether the sliding direction is normal to or parallel with the crack edge. Frequently both of these modes occur together (so called mixed mode growth), but mode I does not appear to mix readily with the other two.
Fracture mechanics is a rather young discipline. Even though the interest in fracture prediction probably is older than our civilization, the systematic approach to problems concerning growth of pre-existing macroscopic cracks, which is what fracture mechanics is about, is typically a 20th century concern. Basic mathematical tools were created by Kolosov (1909) in his doctoral thesis at University of Dorpat (present Tartu), Estonia. Inglis (1913), obviously independently, also solved a basic crack problem, and, in a discussion of Inglis' paper, B. Hopkinson (1913) suggested that nonlinear phenomena near the crack edge should be taken into account. This was finally done by Griffith (1920), but, by using energy considerations and the concept of surface energy, he avoided an analysis of the crack edge neighbourhood. Griffith's experiments with thin glass rods prompted Weibull (1939a,b) to establish a statistical theory of fracture. Orowan (1952) extended Griffith's approach to all cases of small scale yielding (in which plastic flow is confined to a small region near the crack edge) by inclusion of all dissipative energy, essentially the surface energy and plastic work. Irwin (1957) introduced new and expedient concepts such as the stress intensity factor (originally the crack driving force) and the energy release rate. The critical stress intensity factor or, equivalently, the fracture toughness, became concepts that laid the foundation of the linear (elastic) fracture mechanics (LEFM). Barenblatt (1959a,b) introduced the concept of autonomy of the field near the crack edge, and a linearized model of the crack edge vicinity lead to his concept of cohesion modulus. In fact, all the different concepts used in LEFM are developed explicitly or tacitly under the assumption of autonomy, which thus provides the very basis for LEFM. Briefly expressed, autonomy implies that the processes near a crack edge are always the same in each material, regardless of body and loading geometry, under certain specified general conditions.
After the 1950s the development in the fields of crack mechanics and fracture mechanics has been quite impressive, quantitatively and qualitatively. It is not possible to describe this development in a rather limited space, but a few names will be mentioned. First to mind comes J.R. Rice, who has made outstanding contributions to virtually all fields in crack and fracture mechanics, from the mid 60s, including the introduction of the J-integral concept, a path-independent integral, for crack analysis (Rice 1968a), which laid the foundation for the nonlinear fracture mechanics, to recent contributions concerning three-dimensional dynamic crack propagation (Geubelle and Rice, 1995, Cochard and Rice, 1997, Morrisey and Rice, 1998). His impact on the whole field has been singular and enormous. In the dynamic field, the significant and pioneering contributions by B.V. Kostrov and L.B. Freund deserve particular mention. Kostrov solved several problems of importance for earthquake source physics and dynamic crack propagation in general. He was the first to solve a problem of nonconstant crack expansion (Kostrov, 1966). Among numerous contributions by Freund may be mentioned a series of four papers on crack propagation with nonconstant velocity and other dynamic problems, such as stress wave interaction with cracks (Freund 1972a,b, 1973, 1974a). Finally, T. Yokobori should be mentioned, both for his outstanding merits as a scientist and for his organizational talents: he is the Founder President of the International Congress of Fracture, which started in 1965 and has had a profound importance as a forum for exchange of ideas and experiences through their quadrennial conferences. His book on fracture mechanics, first published in Japanese 1955 and translated into English ten years later (Yokobori 1965), appears to be the first monograph in the field.
There exists a fairly large number of books and overviews related to fracture mechanics. A summing up of the state of the art at the end of the 1960s is given in a seven volume large treatise on fracture, edited by H. Liebowitz (1968-1972). Other books were written by Anderson (1995), Broek (1982), Cherepanov (1979), Freund (1990), Hahn (1976), Hellan (1984), Herzberg (1983), Kanninen and Popelar (1985), Karihaloo (1995), Knott (1979), Lawn (1993) and Yokobori (1965). There are also several books on specialized subjects, such as computer methods in fracture mechanics, fatigue crack propagation and creep crack growth. Some of these, for instance the book by Riedel (1987) on fracture at high temperatures, also give account for general properties of cracks and fracture.
This volume builds on research work in various subfields of crack and fracture mechanics from all over the world. The selection naturally reflects my own interests and experiences. The two first chapters deal with the physical processes in the vicinity of the crack edge and the development of fracture. Chapter 3 develops general basic concepts and relations in crack mechanics, such as path-independent integrals, stress intensity factors and energy flux into the process region. Chapters 4-7 deal with the analysis of elastostatic cracks, stationary or slowly moving elastic-plastic cracks, elastodynamic crack processes and elastic-plastic crack dynamics. In Chapter 8, physical and engineering aspects of the processes leading to fracture are considered, and Chapter 9 deals with dynamic fracture mechanics. The appendices include general formulae, the basic theory of analytic functions, introduction to Laplace, Mellin and Hankel transforms, and description of certain basic relations, for instance for stress waves in solids. There is an extensive bibliography, covering references to both classical and recent work.