28198

بررسي اثرات اندازه قطعه در چقرمگي شكست مود III/I گرافيت

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1399

1402/01/30

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

دكتر جواد اكبردوست

مكانيك

مطالعات انجام شده در حوزه اثرات اندازه در قطعات تركدار از جنس مواد ترد و شبه ترد، مويد اين موضوع است كه چقرمگي شكست بدست آمده از نمونه هاي آزمايشگاهي كه به عنوان يكي از خصوصيات ذاتي مواد مختلف به خصوص مواد ترد و شبه ترد محسوب مي شود، بر خلاف انتظار به ابعاد و هندسه قطعات مورد آزمايش وابسته بوده و با تغيير ابعاد هندسي دچار تغيير مي شود. لذا در اكثر پژوهش هاي انجام شده در اين حوزه به دنبال يافتن يك ارتباط معنادار بين چقرمگي شكست قطعات تركدار و ابعاد نمونه، به منظور كاربرد عملي اين مسئله بوده اند. در پژوهش حاضر، تاثير ابعاد هندسي نمونه گرافيتي بر روي مقدار چقرمگي شكست در حالت بارگذاري مودهاي I وIII خالص بررسي شده است. اين نوع گرافيت داراي مقاومت كششي نهايي 13.6 مگاپاسكال، مدول يانگ 3.3 گيگاپاسكال و ضريب پواسون 0.18 مي باشد. براي اين منظور در ابتدا نمونه ها تحت آزمايش خمش سه نقطه و چهارنقطه پادمتقارن قرار گرفته و بارشكست آن ها ثبت گرديده است. سپس توسط روابط تئوري و شبيه سازي عددي مقادير چقرمگي شكست متناظر بارها محاسبه گرديده است. در ادامه تغييرات شعاع ناحيه آسيب با بعد مشخصه ماده (راستاي رشد ترك) بررسي گرديده است. با جايگذاري شعاع ناحيه آسيب به صورت تابعي از ابعاد قطعه در روابط موجود، تغييرات چقرمگي شكست ماده با ابعاد قطعه به دست خواهد آمد. در آخر با استفاده از معيار هاي MTS و GMTS بار شكست متناظر با نمونه گرافيتي تخمين زده شده است. مطابق با پژوهش انجام شده، بار شكست براي نمونه هاي گرافيتي در حالت بارگذاري مود III تقريبا 6.5 برابر بار شكست در حالت بارگذاري مود I ثبت گرديد. مقادير چقرمگي شكست با بزرگ تر شدن اندازه نمونه در هر دوحالت بارگذاري افزايش يافته است به طوري كه در حالت بارگذاري مود III خالص با افزايش ابعاد نمونه ها، ميانگين مقدار چقرمگي شكست 16 درصد افزايش داشته است. مقدار چقرمگي شكست در حالت بارگذاري مود I نسبت به مود III خالص بيشتر شد. معيار MTS براي اين نوع از هندسه نمونه، برآورد خوبي از تخمين بار شكست به علت ناچيز شدن مقدار جمله دوم بسط تنش اطراف نوك ترك داشته است. به طوري كه در نمونه چهارم مقدار بار شكست تخميني از معيار، 1.67 درصد اختلاف با بارشكست بدست آمده از آزمون هاي آزمايشگاهي داشته است.

1402/02/11

size effect analysis on mode I/III fracture resistance of graphite

4/18/2024 12:00:00 AM

The studies conducted in the field of size effects in cracked parts made of brittle and semi-brittle materials confirm that the fracture toughness obtained from laboratory samples is considered as one of the inherent characteristics of different materials, especially brittle and semi-brittle materials. Contrary to expectations, it is dependent on the dimensions and geometry of the tested parts and changes with the change of geometric dimensions. Therefore, in most of the researches conducted in this field, they have tried to find a valid relationship between the fracture toughness of cracked parts and the dimensions of the sample, in order to apply this problem in practice. In the current study, the effect of the geometric dimensions of the graphite sample on the value of the fracture under pure loading modes I and III has been investigated. This type of graphite has ultimate tensile strength of 13.6 MPa, Young's modulus of 3.3 GPa and Poisson's ratio of 0.18. For this purpose, at first, the samples were subjected to three-point and antisymmetric four-point bending tests and their fracture load was obtained. Then, by theoretical relations and numerical simulation, the corresponding fracture toughness values have been calculated many times. In the following, the changes in the radius of the damage area with the characteristic dimension of the material (crack growth direction) have been investigated. By substituting the radius of the damage zone as a function of the dimensions of the part in the existing relationships, the changes in the fracture toughness of the material will be obtained with the dimensions of the part. Finally, using the criterias of MTS and GMTS, the fracture load corresponding to the graphite sample is estimated. According to the conducted research, the fracture load for graphite samples in loading mode III was recorded to be approximately 6.5 times larger than the fracture load in loading mode I. The values of fracture toughness have increased by increasing the sample size in each loading mode, so that in pure loading mode III, the average value of fracture toughness has increased by 16% with the increase of the dimensions of the samples. The value of the fracture toughness in the mode I loading was more than that of the pure mode III. The MTS criterion for this type of geometry of the sample has a good estimate of the fracture load due to the negligible value of the second term of stress expansion around the crack tip. So that in the fourth sample, the value of the estimated fracture load of the MTS criterion value has a difference of 1.67% with the fracture load obtained from the laboratory tests.

چقرمگي شكست، گرافيت، مود هاي بارگذاري III/I خالص، اثرات اندازه، معيار شكست

Fracture toughness, Graphite, pure loading modes I/III, Size effects, Fracture criteria

M.J.Mehrabadi

Dr.M.R.Ayatollahi