MECANICA RUPERII

MATERIALELOR

1. ELEMENTE DE ELASTOSTATICA, 11

1.1. Notlunl de baz& tn meeanlea solldulul deformabil,. 11

1.l.a Starea de tensiune, 11 ' 1.l.b Starea de'dkformatie, 15 1.1.~ Relatia fizic& dintre deformatii $i tensiuni pentru corpuri elastice, 17

1.2. Elemente de elastostatieii planit, 19 I /

1.2.a Starea plan& de deformatie $i tensiune, 19 1.2.8 Functia de tensiune (Airy), 20 1.2.e Solutia general5 a ecuatiei .Mar- monice, 22 . 1.2.d Problema valo~ilor pe coutur, 26 . 1.2.e Do- menii plane multiplu conexe, 27 . 1.2.f Transformarea conforma in elastostatica plan& liniag, '28

1.3. Plaea lnflulti cu orlficlu ellptie. Cazul llmiti a1 flsuril, 31

1.3.a Prima probleme fundamental5 pentru o place infinit5 cu orificiu eliptic, 3 1 1.3.b i n d r d r i particulare, 33

2.1. Metoda semiinversi 39

2.1.a Solutia Westergaard, 39 2.1.b Aproximarea dup5 Irwin a clmpului de tensiune in vecidtatea unei fisuri, 43 2.1.e Facto- . rul de intensitate a1 tensiunii, 47

2.2. Metode tiansformgrilor' integrale, 51 2.3. Solu~il aproxlmate prln dezvoltHr1 In serie, 55 2.4. Alte metode pentru determinaren factorului de lntewlJatt al tensiunii, 59.

2.4.a Legtitufa factorului de' infensitate al tensiunii, cu conceqtrarea elasti& a tensiunilor, 59 2.4.b Metoda transformli- rilor conforme, 60 2.4,~ Metoda apro~imatiilor asimptotice, 66 2.4.d Metoda alternanta;, 67 2.4.e Metoda colocatiei, 72 e.4.f Metoda elementelor finite, 74

25. Fisuri In plici plane fncovoiate, 76 2.6. Fisuri In Iastlitori subfir1 (pl&cl eurbe subtiri), 82

3. EPSURI i~ COkPURI ELASTICE TRIDIMENSIONAhE, 87 '

3.1. Solufla general& a problemel fisurif Intfiun eorp elastic trldlmenslonal, 87 3.2. Cazol fisuril clreulare, 91

1.3. Cazul fisurii eliptice, 93, 5.4. Faetorul de intensitate a1 tensiunii, 96

4. FISURI IN MEDII ELASTOPLASTICE, 105

4.1. Deformarea plqstieh la extremithlile fisurilor, 105 4.2. Modelul Dagdale bidimensional, 107 4.3. Mdelul Dugdale t;idimensional, 118 4.4. CdneelnrailYl tensiunii ih medii elasto&astiee; 12'0

4.4.a Mediu rigid-perfect plastic, 120 a 4.4.b Medii elastoplastice cu ecruisare, 125 a 4.4.~ Integrala de contur J, 128

4.5. Metoda autorului In eazul mediului rigido-plastic cu eeruisare liniarii, 135

5. BAZELE FIZICE ALE REZISTENTEI MATERIALELOR, 137

5.1. No(lunl de bazh In fiziea rezistenfei strueturilor eristaline, 137

5.1.a Elemente de cristalografie, 137 a 5.1.b Modurile de ru- pere, 139 a 5.l.c Rezistenfa teoreticit la rupere, 141

5.2. Disloeatii $1 deformarea plastieA a strueturilor cristaline, 144

5.2.a ~onceptu'l de dislocatie intr-o structurit cristalinil, 144 5.2.b Starea de tensiune $i fortele asociate dislocatiilor, 146 a 5.2.e ~ i $ & e a $i generarea dislocatiilor, 149 -

5.3. Meecmismele fiziee ale nueleatiei ruperii, 153

5.3.a Nucleatia microfisurilor prin separare (clivare), 153 a 5.3.b Dezvoltarea $i propagarea microfisurilor prin separare, 157 .5.3.c Mecanismul ruperii ductile, 160 a 5.3.d Tranzitia ductil- fragil, 163

5.4. Distributia defectelor 91 probabilitatea de rnpere, 167

6. CRITERIILE FENOMENOLOGICE ALE REZISTENTEI MATER IALELOR, 169

6.1. Sensul criterirlor fenomenologiee de rezistentil, 169 6.2. Termodinamiea mediilor deformabile eu fisuri, 170

6.2.a Energia asociatg fisurilor In medii elastice. Criteriul Griffith, 170

6.3. Crileriul fortelor eoezive, 175 6.4. Energla propagirli fisurilor In medii elastoplastdee, 177 6.5. Criterille tehnice ale rezistentei materialelm reale (eu defeete), 179

6.5.a Criteriile rezistentei materialelor elastice cu fisuri 179 6.5.b Criteriul factorului densitatii energiei de deformatie, 185 6.5.0 Cri- tkriile rezistentei materialelor elastoplastice cu fisori, 186 6.5.d Cri- teriul J , 189

7. METODELE EXPERIMENTALE ALE MECANIC I1 RUPER I1 191

7.1. Bazele elasiIi&ii lncereiirilor din mecanica ruperii, 191 7.2. fneercgrlle reziste4ei la lniflerba extinderii (prepagikii) fisurilor, 192

7.t.a ,fncercarea tenacitiltii dupil metoda KI, , 192 'a 7.2.b Meto- da dinamid Kid, 196 a 7.2.c fncercarea tenacitgtii dupH metoda DCVF, 199 a 7.2.6 Metoda autorului pentru lncercarea

DCVF, 204 7.2.e incercarea tenacitHtii dupH metoda integralei J, 203 7.2.f fncercStrile de initiere a ruperii pe epruvete de di- ,

mensiuni mari, 210

7.3. fneerearea eapacitiifii de Inhibare a propagirii fisurii, 212

7.3.a Bazele conceptuale, 212 7.3.b incercarea cu soneta in cHderc liberH $i incerdrile prin explozie, 215 7.3.13 lncerdri de tip Robertson, 217

7.4. Determinarea experimental& a energiei superfieiale a solidelor, 221

8. FACTOR11 DETERMINANT1 A1 CARACTERISTICILOR DE TENACITATE, 223

8.1. Faetorii de material, 223

8.l.a Oteluri de joasg rezistenl6, 223 8.1.b Oteluri de medie rezistents, 229 8.l.e Oteluri de InaltA rezistentg, 232 8.1.d Aliaje de aluminiu, 234 8.1.e Aliaje de titan, 235 8.1.1 Beriliu, 237

8.2. Natura solielt&rii, 237

8.2.a Solicitarea sub sarcinii sau deformatie impusH, 237 8.2.b Influenta vitezei de deformare (solicitare), 238

8.3. Influenfa predeformilrii malerialului, 242 8.4. Influenfa temperaturii, 242 8.5. Influenfa geometriei $i aeultilfii flsurii, 247 8.6. Influenta medillor active asupra fenomenului ruperii, 249

8.6.a Fisurarea corozivs sub tensiune, 250 8.6.b Fragilizarea prin hidrogen, 253 8.6.e Fragilizarea prin metale lichide, 254. 8.6.d Propagarea fisurilor sub sarcina constants in medii active, 255 ,

8.7. Influenfa iradierii, 261

8.7.a Mecanismul degradsrii metalelor prin iradiere, 261 8.7.b Ecruisarea ~i fragilizarea indusH prin iradiere, 263

9. PROPAGAREA FISURILOR SUB ACTILJNEA SOLICITARI- LOR VARIABILE, 267

9.1. leeanismele fiziee ale nueleafiei vi propagairii fisurilor pri~solicit&ri variil- bile, 267

9.1.a Nuckaria fisurilor, 267 9.1.b Mecanismul propagiirii fisurilor 205

9.2. Criteriile cantitathe ale prepagilrii fisnrilor, 271

9.2.a Criteriile empirice $i semiempirice. 272 9.2.b Modele ale propa- gsrii :fisurilor, 278 9.2.e Modelul propus de autor, 280

9.3. Factorti de influenf& ln propagarea fisurilor, 283

9.3.a Starea de tensiune Si deformatie, 283 p 9.3.b Tensiunea medie, 288 9.3.0 Stabilizarea propaggrii fisurilor, 287 9.3.6 Influenta microstructurii, 288 B.3.e Influenta temperaturii, 289 9.3.f Influenta tensiunilor remanente 290 m 9.34 Influenla mediilor corozive, 290

9.4. Propagarea fisurikoi sub aefiunea solieitiirilor eu variafia eomplexil, 292

9.4.a Efectele de interactiune ale nivelelor de solicitare, 292 9.4.b Propagarea fisurilor sub actiunea solicit5rilor variabile pro- gramate, 296

10. ASPECTELE APLICATIVE ALE MECANIGII* RUPERII MATERIALELOR, 301

10.1. Mecaniea ruperii materialelor 91 flabilitatea eonstruefillor tebniee, 301 10.2. Analiza ruperii In eazul soliditgrilor flingulare, 305

10.2.a Verificarea rezistentei la initikrea ruperii, 305 10.2.b ~ e z i s - tenta recipientilor sub presiune, 308 10.24 Criteriile empirice pentru analiza capacitatii de inhibare a propagiirii instabile a fisurilor, 318

10.3. Flabilltatea elementelor gi strueturflor lo candifiile propagtirii subcrltlee a fisurilor, 323

10.4. Problema defeetelor admislbile, 325

Anexe, 328 \ , . . BibliogrPHs, 357 . +

Fraeture mechanics (summary), 373

Mecanica ruperii materialelor, constituitd In ultimele decenii ca un domeniu distinct de cercetare, la confluenja unor discipline clasice ale mecanicii 'mediului continu (teoria elasticitiijii, plas- ticitcijii etc.) g i ale fixicii solidului (de ex. teoria dislocajiilor In rejele cristaline) i g i propune descrierea cantitativd a variatelor ipostaxe ale fenomenului ruperii materia(e1or.

fnmdnuncherea acestor contribujii interdisciplinare intr-un corp unitar de cunogtinje s-a fdcut pe baxa unor ipotexe specifice fenomenului ruperii, ipotexe rexdtate din generalixarea unui imens material experimental. Esenja acestor ipotexe este urmdtoarea:

a ) Ruperea materialelor este inijiatd In zona defectelor de continuitate. Aceste defecte pot preexists sau d n t generate prin mecanisme care au loc la nivelul structural primar.

b) Ruperea macroscopic& este conceputci ca o extindere a defectelor de cowtinuitate - In esenjd a fisurilor. Extinderea se declangeaxd atunci d n d local in xona discontinuitdjii se depd- gegte o mdrime critic6 care poate f i de natura unei energii interne specifice, tensiuni sau deformajii.

Aceste ipotexe sugerate de Griffith in anii 1920-1925 au fost puse In valoare numai dupci anul 1950 sub impulsul dezvol- tdrii noilor tehnici de dr f 5n domeniul aerospajial, nuclear, naval etc. Se remarcd cd aceste ipotexe specifice mecanicii ruperii ma- terialelor permit trecerea de la interpretarea ruperii ca u n feno- men de cedare global (In sensul teoriilor clasice de rexistenjd dupci Coulomb, Saint-Venant, Mohr etc.) la interpretarea ruperii m u n fenomen local de nudeajie g i propagare.

Dexvoltdrile recente cele mai importante 4n domeniul meca- , nicii ruperii materialelor se ref erd la precixarea parametrilor asociaji stdrii critice 4% domeniile adiacente fisurilor g i la des- crierea extinderii fisurilor sub acjiunea celor mai diverse forme de solicitare (static&, dinamicd, variabild, sau de lungd duratd).

Nucleajia sau generarea discontinuitdjilor, respectiv a fisu- rilor sub a jiulzea solicitcirilor mecanice rdmIne Ins6 u n aspec mai obscur a1 mecanicii ruperii materialelor, aspect care In ge- neral poate f i abordat numai prin .metodele fixicii solidului, In Wxul particular a1 structurilor cristaline, prin elucidarea meca - nismelor de generare, propagare g i acumubre a dislocajiilor g i a altor defecte structurale (vacanje, atomi interstijiali etc.).

UrmInd concepjia interdisciplinard menjionatd, lucrarea de fa$& I g i propune sd ilustrexe momentul actual a1 dexvoltdrii meca- nicii ruperii materialelor, prin prexentarea atIt a pdrfdor devenite

5 .

astlrxi clasice ca: teoria factorului de intensitate a1 tensiunii g i criterizcl K,,, cz"t g i a acelor concepte, teorii g i metode experimen- tale care sQnt 8n prezent .in plinci formare ca: teoria fisurii 8n medii elastoplastice, conceptul deplascirii critice la wirful fisurii sau modelele propagiirii fiturilor sub acjiunea solicitcirilor prelun- gite statice sau variabile. I n contextul acestor prezentciri s8nt cu- prinse g i rezultatele autorului .in acest domeniu specific de cer- cetare.

Autorul sperci cci prih tratarea 'integratti a bazetor concep- tuale a suportului experimental g i a aspectelor aplicative ale me- canicii ruperii materialelor, ca p i printr-o referire largci lu lite- ratura reprezentativci sic aducci luerarea 8n aria de interes a unui cerc larg de specialigti.

Autorului $i revine o Qndcctorire de onoare .in a muljumi pe aceaatii cale Secjiei de ~tdinje tehnice a Academiei R.S. Ro- mania pentru interesul purtat acestei lucriiri. De asemenea, se

. cuvine a aprecia Qnaltul nivel editorial asigurat de Editura Aca- demiei R. S . Romania, fapt pentru care autorul doregte 86-gi exprime cele mai vii muljumiri.

Timiqoara octombrie 1976