Mekanika e shkatërrimit I- Thyerjet për shkak të lodhjes

SHKATËRRIMI (THYERJA ) NGA LODHJA

Shkatërrimi (thyerja) mund të ndodhi nga:

-veprimi i ngarkesave të jashtme statike,

-veprimi i ngarkesave të jashtme dinamike-goditëse,

-veprimi i ngarkesave të jashtme dinamike-ciklike,

-veprimi i ngarkesave statike në kohëgjatje të madhe (shkarja-rrëshqitja),

-veprimi i sforcimeve mbetëse-të brendshme,

-kombinimi i ngarkesave të lartshënuara dhe të bashkëshoqëruara me veprimin e mesit (ambientit).

CHAPTER 4: FRACTURE

The separation or fragmentation of a solid body into two or moreparts, under the action of stresses, is called fracture.Fracture of a material by cracking can occur in many ways, principally the following:1.Slow application of external loads.2.Rapid application of external loads (impact).3.Cyclic or repeated loading (fatigue).4.Time-dependent deformation (creep).5.Internal stresses, such as thermal stresses caused by anisotropy of the thermal expansion coefficient or temperature differences in a body.6.Environmental effects (stress corrosion cracking, hydrogen embrittlement, liquid metal embrittlement, etc.)

In many fracture analyses it is important to get as much information as possible from the fractured part itself along with an investigation of conditions at the time of fracture. Some of the questions to be asked are:

1. How long was the part in service?

2. What was the nature of the stresses at the time of fracture?

3. Was the part subjected to an overload?

4. Was the part properly installed?

5. Was it subjected to service abuse?

6. Were there any changes in the environment?

7. Was the part properly maintained?

A study of the fractured surface should answer the following questions:

1. Was the fracture ductile, brittle, or a combination of the two?

2. Did failure start at or below the surface?

3. Did the failure start at one point, or did it originate at several points?

4. Did the crack start recently or had it been growing for a long time?

Veprimi i ngarkesave të jashtme dinamike ciklike (alternative) në një kohëzgjatje të caktuar, njihet me termin lodhje (anglisht-fatigue).

Vlen të theksohet se 50-95% e dëmtimeve dhe avarive në industri shkaktohen nga lodhja. Në vitin 1982 në SHBA janë shkaktuar afro 119 miliard dollarë dëme financiare nga lodhja ose afro 4% e GDP.

Dëmet e shkaktuara (thyerjet) nga lodhja ndodhin në të gjitha degët e industrisë:

-industrinë e ndërtimit të automjeteve,-industrinë e ndërtimit të anijeve,-industrinë e ndërtimit te aeroplanëve,-industrinë kimike etj.etj.

The failure of the Boeing 737-200 Aloha Airlines due to fatigue damage, corrosion & low bonding durability. (28 April 1988)

Lodhja mund të shkaktohet nga veprimi i:• Ngarkesave në tërheqje,• Ngarkesave në shtypje,• Ngarkesave në lakim-përkulje),• Ngarkesa në përdredhje (torsion),• Kombinimi i tyre.

Disa lloje të ngarkesave

Sinusoidal loading

Triangular loading

Trapezoidal loading

Predictions of Failure Fluctuating Loads

-Brittle Materials:– Not recommended

-Ductile Materials:– Goodman

– Gerber

– Soderberg

Types of FatigueHigh Cycle Fatigue• Number of cycles to failure is greater than 104

• Frequency: high (1 -100Hz)• Gross deformation: Elastic

Low Cycle Fatigue• Number of cycles to failure is less than 104

• Frequency is low, less than 10 Hz• Gross deformation: Elastic+Plastic

Fatigue Mechanics – the State of the Art

High Cycle Fatigue

Approx 105 – 106 cycles

Observed in Machine parts, bridges

Mechanisms well established, models well developed

Low Cycle Fatigue

Approx 102 – 104

cycles

Observed in machine parts/mechanical and aerospace applications

Mechanisms relatively well established, models available

Ultra-Low Cycle Fatigue (ULCF)

< 10-20 cycles

Observed in structures during earthquakes

Mechanisms virtually uninvestigated, no fundamental models established

In steel structures

Përkundër interesit të pareshtur të shkencëtarëve për të hulumtuar këtë dukuri të dëmshme, vlen të theksohet se akoma nuk është e hulumtuar deri në detaje dhe mbeten shumë çështje të diskutueshme.

Hapat e pare drejte hulumtimit te kesaj dukurie

Jane bere ne vitin 1840 nga inxhinieri gjerman August Vöhler, i punesuar ne Hekurudhat gjermane.

-Emertimi i pare me termin lodhje si pasoje e veprimit te ngarkesave ciklike-vibruese eshte bere ne vitin 1850.

S-N diagrami

Vöhleri në bazë të eksperimenteve të bëra, i pari konstruktoi diagramin (S-N), që paraqet varësinë funksionale të sforcimeve nga numri i cikleve, respektivisht kohëzgjatjes së veprmit të këtyre sforcimeve.

Fatigue strength of the alloys usually falls between ¼ and ½ of the tensile strength.

Fazat (etapat) e thyerjes për shkak të lodhjes janë:

I-inicimi i plasaritjes-(Crack initioation),

II-përhapja (shtrirja-rritja) e plasaritjes-(Crack propagation),

III-thyerja- (Fracture -failure).

Stage I-Crack initiation at a subsurface inclusion

Stage II-Crack propagation from a subsurface

inclusion

Stage III-Catastrophic farcture-failure

Stages I, II, and III of fatigue fracture process

Stage I: Initiation/nucleationStage II:Stable growthStage III:Final Fracture

•Cracks can initiate internally or externally (most often); surface

treatment important, especially for high cycle fatigue. •Average crack growth can be less than lattice spacing.•microstructure, R, environment have big effects. •Plastic zone smaller than grain size

Stage II

Power law regime (Paris law, next lecture); influence of microstructure, R, environment, not as strong as for Stage I.

Përcaktimi i qëndresës ndaj lodhjes

Pajisjet për provën e lodhjes

SERVOHYDRAULIC TESTING MACHINE

FOR FATIGUE TESTING

Sipërfaqja e thyerjes për shkak të lodhjes

Paraqitja skematike e sipërfaqes së thyerjes për shkak të lodhjes

Pamja vizuale e siperfaqes se thyerjes per shkak te lodhjes

Stage IIISimilar to failure under static mode (cleavage, microvoid coalescence, etc). Microstructure, R, important; environment not so important

Sipërfaqe të thyera për shkak të lodhjes

To avoid fatigue failures:

Improvement in Design to:

Eliminate or minimize the stress raisers

Eliminate surface defects during manufacture

Relieve tensile residual stress

Ensure good surface finish

4Crack Growth Behavior

By using fracture mechanics concept, the cycles for stable crack growth region can be estimated.

Cra

ck

De

pth

, a

Unstable Crack Growth

Stable Crack Growth

Number of Cycles

Cycles of Crack Growth Estimated by Fracture Mechanics

Initial Crack

Cycles to Crack Initiation

Deepest Point

Surface Point

a

2c

Percaktimi i shpejtesise se perhapjes(zgjerimit) te plasaritjes gjate lodhjes, respektivisht percaktimi i afatsherbimit(jetegjatesis) te materialit mund te behet duke i marre parasysh konceptet e mekanikes se shkaterrimit(LEFM dhe EPFM).

Koncepti i mekanikes elastike lineare te shkaterrimit(LEFM) bazohet ne parametrin e faktorit te intensitetit te sforcimit-K, respektivisht intervalit te ndryshimit ΔK.

Çeshtja kyçe e ketij koncepti qendron ne percaktimin e shpejtesise se perhapjes(zgjerimit) te plasaritjes mbi bazen e rritjes(inkrementit) te madhesise se plasaritjes per cikel te ngarkeses.

da,Δa-ndryshimi (rritja) e gjatesise se plasaritjes,

dN, ΔN-ndryshimi (rritja) i cikleve te ngarkeses

)( KfN

A

dN

da ∆=∆∆=

Vlen te theksohet se ekuacioni I Paris-it ka perdorim me te shpeshte per kete qellim dhe ky ekuacion ka kete forme:

C dhe m-karakteristika te materialit

mKCdN

da)(∆=

KKR

KC

dN

da

IC

m

∆−−∆=)1(

)(Forman:

3

2

1

max1

1)(

n

n

IC

n

th

m

KK

KK

KCdN

da

−

∆∆−

∆=Complete curve

−

∆+∆−∆=max

2 1)(KK

KKKC

dN

da

ICth

McEvily:

përcaktimi eksperimental i shpejtësisë së rritjes (përhapjes) së plasaritjes gjatë lodhjes

Për përcaktimin eksperimental të shpejtësisë së rritjes (përhapjes) së plasaritjes shërben standardi amerikan ASTM E647-93.

Mostrat për matje dhe pajisja për realizimin e eksperimentit janë identik me ato të përcaktimit të KIC.