Original title:
Určování lomově-mechanických charakteristik z podrozměrných zkušebních těles
Translated title:
Determination of Fracture Mechanical Characteristics From Sub-Size Specimens
Authors:
Stratil, Luděk ; Džugan, Jan (referee) ; Haušild, Petr (referee) ; Dlouhý, Ivo (advisor) Document type: Doctoral theses
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Pro stanovení lomové houževnatosti jsou ve standardech stanoveny požadavky na velikost zkušebních těles. V případech limitovaného množství zkušebního materiálu nabízejí jednu z možností hodnocení houževnatosti miniaturní zkušební tělesa. Kvůli malým zatěžovaným objemům na čele trhliny dochází v těchto tělesech ke ztrátě constraintu, což vede k ovlivnění měřených hodnot houževnatosti a nesplnění velikostních požadavků na určení platných lomově mechanických charakteristik. Pro své malé rozměry se tato tělesa nacházejí na hranici ruční manipulace a silového rozsahu zkušebních strojů. Důležitou úlohou je pak při zvládnuté metodice přípravy, měření deformace a zkoušení těchto těles interpretace měřených hodnot lomově mechanických charakteristik a jejich případná korekce vzhledem k tělesům standardní velikosti. V oblasti horních prahových hodnot je u miniaturních těles stále nedostatečně řešena zvláště otázka kvantifikace a interpretace vlivu velikosti. Práce je svým zaměřením experimentálně výpočtovou studií zaměřenou na hodnocení vlivu velikosti zkušebního tělesa na lomovou houževnatost v oblasti horních prahových hodnot. Vliv velikosti byl kvantifikován zkoušením miniaturních těles a těles větší velikosti s cílem určení jejich J R křivek. V rámci práce byla věnována pozornost dvěma geometriím miniaturních zkušebních těles, miniaturnímu tělesu pro tříbodový ohyb a excentrické zatěžování. Jako experimentální materiál byly zvoleny pokročilé oceli vyvinuté pro jaderný a energetický průmysl, ocel Eurofer97 a ODS ocel MA956. Za účelem hodnocení a interpretace napěťově deformačního stavu na čele trhliny ve zkoušených tělesech pro ocel Eurofer97 byly realizovány simulace provedených testů pomocí metody konečných prvků a pomocí mikromechanického modelu tvárného porušení. V rámci srovnávání experimentů a simulací J R křivek byly odvozeny vzájemné závislosti geometrie tělesa a vhodné velikosti prvku v simulaci pro daný materiál. Na základě těchto vztahů byla navržena metodika, která může být použita k predikci J R křivky tělesa standardních rozměrů. Hlavním přínosem práce je zjištění vlivu úrovně houževnatosti materiálu na odolnost proti šíření trhliny u miniaturních těles. U materiálu, ve kterém dochází k významnému růstu trhliny po překročení limitních hodnot J integrálu (ocel Eurofer97), se výrazně projevuje ztráta constraintu a dochází k poklesu odolnosti proti šíření trhliny. Miniaturní tělesa pak vykazují významně nižší J R křivky oproti tělesům větší velikosti. Tento jev je v protikladu s chováním miniaturních těles v tranzitní oblasti. U materiálu, kdy k růstu trhliny dochází v oblasti platnosti J integrálu (ODS ocel MA956), jsou projevy ztráty constraintu velmi malé bez významného vlivu na odolnost proti šíření trhliny. Miniaturní tělesa v takovém případě poskytují srovnatelné J R křivky jako tělesa větších velikostí. Neméně podstatným přínosem práce je navržená metodika využívající mikromechanické modelování pro predikci J R křivky z malého množství materiálu.
The standards of fracture toughness determination prescribe size requirements for size of test specimens. In cases of limited amount of test material miniature test specimens offer one from the possibilities of fracture toughness evaluation. Because of small loaded volumes in these specimens at the crack tip the loss of constraint occur affecting measured values of fracture toughness. In such cases the size requirements for valid fracture toughness characteristics determination are not fulfilled. These specimens can be even on limits of load range of test devices and handle manipulation by their small dimensions. The important task related to these specimens is, apart from methodology of their preparation and measurement of deformations, the interpretation of measured values of fracture toughness and their possible correction to standard test specimens. Moreover, in the upper shelf region of fracture toughness quantification and interpretation of size effects is still not resolved sufficiently. This thesis is by its aims experimentally computational study focused on evaluation of size effect on fracture toughness in the upper shelf region. The size effect was quantified by testing of miniature and large specimens’ sizes in order to determine J R curves. Two geometries of miniature test specimens, there point bend specimen and CT specimen, were used. The experimental materials were advanced steels developed for applications in nuclear and power industry, Eurofer97 steel and ODS steel MA956. Finite elements analyses of realized tests together with application of micromechanical model of ductile fracture were carried out in order to evaluate stress strain fields at the crack tip in tested specimens from Eurofer97 steel. By comparison of experimental results and numerical simulations of J R curves the mutual dependencies between geometry of specimens and element sizes at the crack tip were derived. On the basis of acquired relationships, the methodology of J R curve prediction for standard specimen size from limited amount of test material was proposed. Main contribution of thesis is description of effect of material’s fracture toughness level on resistance against ductile crack propagation in miniature specimens. For material where significant crack growth occurs after exceeding the limit values of J integral (Eurofer97), the loss of constraint is considerable and highly decreases resistance against tearing. Miniature specimens then show significantly lower J R curves in comparison with standard size specimens. This effect is the opposite to the behaviour of miniature specimens in transition region. In case of material with low toughness, in which significant crack growth occurs in the region of J integral validity (ODS MA956), the effect of constraint loss is small without large impact on resistance against tearing. In such case miniature specimens demonstrate comparable J R curves as specimens of larger sizes. Next important contribution is proposed methodology for prediction of J R curve from small amount of test material using micromechanical modeling.
Keywords:
Eurofer97; Fracture toughness; GTN model; J R curve; MA956; size effect; Eurofer97; GTN model; J R křivka; Lomová houževnatost; MA956; vliv velikosti
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/34675
guest ::
