Μελέτη εσωτερικής φθοράς επιλεγμένων υλικών

Abstract

In this thesis is studied the internal damage of selected specimens. The phenomenon of damage and the way of calculation of damage is presented. The first chapter includes the necessary elements from damage mechanics and the method of damage measurements. In second chapter are presented the necessary elements from theory of elasticity and theory of cracks, especially the stress field close to the crack. In third chapter is included the theory of caustics in the region close to the crack tip and the calculation of damage factor by means of caustics. Finally in the fourth chapter is regarding the experimental method of internal damage of selected specimens. In chapter 1 is regarding the theory of internal damage of materials. Firstly is presented the phenomenological aspect of object of internal damage. Also is included the mechanical presentation of damage and referring the basic works in damage mechanics. Great contribution in topic were given by Kachanov and Rabotnov. Are regarded the basic principles of damage, as the concept of one-dimensional damage surface variable, the effective stress and the equivalent strain. Also is presented the base of damage (elasticity, plasticity yield criterion, damage threshold, crack initiation) and included the measurements of damage (direct and indirect). Finally becomes a micromechanical referring of damage analogous to the attitude of the material in fracture (brittle or ductile). In chapter 2 regarding the region of theory of cracks and included the basic principles of elasticity. Referring the basic equations that connect stresses and strains in elastic region and the states of plane stress and plane strain. Is solved the plane stress problem with the method of complex equations and referring the strain modes at the crack tip and is analyzed the case of tension loading type I and especially the case of stress concentrations at the crack tip. In chapter 3 is presented the optical method of caustics. Firstly is calculated the variation of intensity of light ray that transmitted via diaphanous mess. Also is studied the effecting of loading on the optic way of reflected or transmitted caustics. Is regarding the theory of optical method of caustics and becomes application of method of plane stress problem on optical isotropic specimens. Also becomes analysis of elastic problem of transversal crack. Finally is calculated the factor of internal damage via method of caustics. Finally in chapter 4 is regarding the experimental part of this thesis. Became study of internal damage of selected specimens. Firstly applied the experimental method of caustics for the calculation of internal damage in selected specimens, as aluminum alloy. Also were studied selected specimens, as metal matrix composite, PZT ceramic, plastic PVC and NYLON 6 after fatigue (cycle 24-32 Hz). The above specimens were studied in tension and compression and were taken hysteresis loops for the calculation of strain energy of release rate.

Στη διατριβή αυτή μελετάται η εσωτερική φθορά επιλεγμένων υλικών. Παρουσιάζεται το φαινόμενο της φθοράς και ο τρόπος υπολογισμού της. Το πρώτο κεφάλαιο περιέχει τα απαραίτητα στοιχεία από τη μηχανική φθοράς και τις μεθόδους μέτρησης της. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα απαραίτητα στοιχεία από τη θεωρία ελαστικότητας και τη θεωρία ρωγμών, ειδικότερα το τασικό πεδίο κοντά στη ρωγμή. Στο τρίτο κεφάλαιο περιέχεται ηθεωρία των καυστικών στην περιοχή κοντά στο άκρο της ρωγμής και ο υπολογισμός του συντελεστή φθοράς με τη χρήση των καυστικών. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσεται η πειραματική μελέτη της εσωτερικής φθοράς επιλεγμένων υλικών. Στο κεφάλαιο 1 αναπτύσσεται η θεωρία της εσωτερικής φθοράς των υλικών. Αρχικά παρουσιάζεται η φαινομενολογική όψη του αντικειμένου της εσωτερικής φθοράς. Επίσης περιέχεται η μηχανική παρουσίαση της φθοράς και αναφέρονται οι βασικές εργασίες στη μηχανική της φθοράς. Σημαντική συμβολή στο θέμα προσέφεραν οι Kachanov και Rabotnov. Αναπτύσσονται οι βασικές αρχές της φθοράς, όπως η έννοια της μονοδιάστατης μεταβλητής επιφάνειας φθοράς, της ενεργούς τάσης και της ισοδύναμης παραμόρφωσης. Επίσης παρουσιάζεται η βάση της φθοράς (ελαστικότητα, κριτήριοπλαστικής διαρροής, κατώφλι φθοράς, διάδοση ρωγμής) και περιέχονται οι μετρήσεις της φθοράς (άμεσες και έμμεσες). Τέλος γίνεται μια μικρομηχανική αναφορά της φθοράς ανάλογα με τη συμπεριφορά του υλικού σε θραύση (όλκιμη ή ψαθυρή). Στο κεφάλαιο 2 αναπτύσσεται η περιοχή της θεωρίας Ρωγμών και περιέχονται οι βασικές αρχές της ελαστικότητας. Αναφέρονται οι γνωστές σχέσεις που συνδέουν τις τάσεις και τις παραμορφώσεις στην ελαστική περιοχή και τις καταστάσεις επίπεδης έντασης και επίπεδης παραμόρφωσης. Επιλύεται το επίπεδο εντατικό πρόβλημα με τη μέθοδο των μιγαδικών συναρτήσεων και αναφέρονται οι τύποι παραμόρφωσης του άκρου της ρωγμής και αναλύεται η περίπτωση του εφελκυστικού τύπου Ι και ειδικότερα η περίπτωση συγκέντρωσης τάσεων στο άκρο της ρωγμής. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η οπτική μέθοδος των καυστικών. Αρχικά υπολογίζεται η μεταβολή της έντασης φωτεινής ακτίνας που διέρχεται μέσα από διαφανή μέσο. Επίσης μελετάται η επίδραση της φόρτισης στονοπτικό δρόμο των ανακλώμενων ή διερχομένων καυστικών. Αναπτύσσεται η θεωρία της οπτικής μεθόδου των καυστικών και γίνεται εφαρμογή της μεθόδου στο επίπεδο εντατικό πρόβλημα σε οπτικά ισότροπα υλικά. Επίσης γίνεται ανάλυση του ελαστικού προβλήματος εγκάρσιας ρωγμής. Τέλος υπολογίζεται ο συντελεστής εσωτερικής φθοράς με βάση τη μέθοδο των καυστικών. Τέλος στο κεφάλαιο 4 αναπτύσσεται το πειραματικό μέρος της διατριβής. Έγινε μελέτη της εσωτερικής φθοράς επιλεγμένων υλικών. Αρχικά εφαρμόστηκε η πειραματική μέθοδος των καυστικών για τον υπολογισμό της εσωτερικής φθοράς σε επιλεγμένα υλικά, όπως κράμα αλουμινίου. Επίσης μελετήθηκαν επιλεγμένα υλικά, όπως σύνθετο με μεταλλική μήτρα, κεραμικό ΡΖΤ, πλαστικό PVC και πλαστικό NYLON 6 μετά από κόπωση υψηλής συχνότητας 24- 32 Hz. Μελετήθηκαν τα παραπάνω υλικά σε εφελκυστική και θλιπτική φόρτιση και ελήφθησαν βρόγχοι υστέρησης για τον υπολογισμό του έργου παραμόρφωσης, που αποτελεί την ενέργεια που αποθηκεύεται με τη μορφή ελαστικής παραμόρφωσης κατά τη διάρκεια ενός βρόγχου υστέρησης.