Desplazamiento de apertura de la punta de la grieta ( CTOD ) oes la distancia entre las caras opuestas de la punta de una grieta en la posición de intersección de 90 °. La posición detrás de la punta de la grieta en la que se mide la distancia es arbitraria, pero de uso común es el punto donde dos líneas de 45 °, comenzando en la punta de la grieta, se cruzan con las caras de la grieta. [1] El parámetro se utiliza en mecánica de fracturas para caracterizar la carga en una fisura y puede estar relacionado con otros parámetros de carga en la punta de la fisura, como el factor de intensidad de tensión. y la J-integral elástica-plástica .
Para condiciones de tensión plana , el CTOD se puede escribir como: [2] [3]
dónde es el límite elástico , es la longitud de la grieta, es el módulo de Young , y es la tensión aplicada a distancia.
Bajo carga de fatiga , el rango de movimiento de la punta de la grieta durante un ciclo de cargase puede utilizar para determinar la tasa de crecimiento de la fatiga mediante una ecuación de crecimiento de grietas . La extensión de la grieta por un ciclo, es típicamente del orden de . [1]
Historia
El examen de las muestras de prueba fracturadas llevó a la observación de que las caras de la grieta se habían separado antes de la fractura, debido al desafilado de una grieta inicialmente aguda por deformación plástica. El grado de desafilado de las grietas aumentó en proporción a la tenacidad del material. [4] Esta observación llevó a considerar la abertura en la punta de la grieta como una medida de tenacidad a la fractura. El COD fue propuesto originalmente de forma independiente por Alan Cottrell y AA Wells. [5] [6] Este parámetro se conoció como CTOD. GR Irwin postuló más tarde que la plasticidad de la punta de la grieta hace que la grieta se comporte como si fuera un poco más larga. Por lo tanto, la estimación de CTOD se puede realizar resolviendo el desplazamiento en la punta de la fisura física.
Utilizar como parámetro de diseño
CTOD es un parámetro único que se adapta a la plasticidad de la punta de la grieta. Es fácil de medir cuando se compara con técnicas como J integral. Es un parámetro de fractura que tiene más significado físico que el resto.
Sin embargo, la equivalencia de CTOD y J integral está probada solo para materiales no lineales, pero no para materiales plásticos. Es difícil ampliar el concepto de CTOD para grandes deformaciones. Es más fácil calcular J-integral en el caso de un proceso de diseño que utiliza técnicas de método de elementos finitos .
Relación con otros parámetros de la punta de la grieta
K y CTOD
CTOD se puede expresar en términos de factor de intensidad del estrés como: [7]
dónde es el límite elástico, es el módulo de Young y para estrés plano ypara tensión de avión .
J-integral y CTOD
La relación entre el CTOD y J viene dada por: [1] [8]
donde la variable suele estar entre 0,3 y 0,8.
Pruebas
Una prueba CTOD generalmente se realiza en materiales que sufren deformación plástica antes de fallar. El material de prueba se parece más o menos al original, aunque las dimensiones se pueden reducir proporcionalmente. La carga se realiza para parecerse a la carga esperada. Se realizan más de 3 pruebas para minimizar cualquier desviación experimental. Las dimensiones del material de prueba deben mantener la proporcionalidad. La muestra se coloca en la mesa de trabajo y se crea una muesca exactamente en el centro. La grieta debe generarse de manera que la longitud del defecto sea aproximadamente la mitad de la profundidad. La carga aplicada sobre la muestra es generalmente una carga de flexión de tres puntos. Para medir la abertura de la grieta se utiliza un tipo de galga extensométrica llamado calibre de clip de boca de fisura. [3] La punta de la fisura se deforma plásticamente hasta un punto crítico después del cual se inicia una fisura que puede conducir a una falla parcial o total. Se anotan la carga crítica y las mediciones de galgas extensométricas en la carga y se traza un gráfico. La apertura de la punta de la grieta se puede calcular a partir de la longitud de la grieta y la apertura en la boca de la muesca. Según el material utilizado, la fractura puede ser frágil o dúctil lo que se puede concluir a partir del gráfico.
Los estándares para las pruebas CTOD se pueden encontrar en el código ASTM E1820 - 20a. [9]
Medida de laboratorio
Los primeros experimentos utilizaron un calibre plano en forma de paleta que se insertó en la grieta; a medida que se abre la grieta, el medidor de paletas gira y se envía una señal electrónica a un trazador x – y. Sin embargo, este método era inexacto porque era difícil alcanzar la punta de la grieta con el medidor de paleta. Hoy en día, se mide el desplazamiento V en la boca de la grieta y se infiere el CTOD asumiendo que las mitades de la muestra son rígidas y giran alrededor de un punto de articulación. [10]
Referencias
- ↑ a b c Suresh, S. (2004). Fatiga de materiales . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-57046-6.
- ^ Janssen, Michael (2004). Mecánica de fracturas . Zuidema, J. (enero), Wanhill, RJH (2ª ed.). Londres: Spon Press. pag. 150. ISBN 0-203-59686-2. OCLC 57491375 .
- ^ a b Soboyejo, WO (2003). "11.6.3 Tamaño de la zona de plástico". Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
- ^ Newman Jr., JC; James, MA; Zerbst, U. (2003). "Una revisión del criterio de fractura CTOA / CTOD". Ingeniería Mecánica de Fracturas . Elsevier. 30 (3–4): 371–385.
- ^ AA Wells, Simposio de propagación de grietas , Cranfield, (1961) 210
- ^ Soboyejo, WO (2003). "11.7.1 Desplazamiento de apertura de la grieta". Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
- ^ Anderson, TL (24 de junio de 2005). Mecánica de la fractura: fundamentos y aplicaciones (tercera ed.). Prensa CRC. págs. 104-105. ISBN 978-0-8493-1656-2.
- ^ Zehnder, Alan T. Mecánica de fracturas . Dordrecht. pag. 172. ISBN 978-94-007-2595-9. OCLC 773034407 .
- ^ Comité E08. "Método de prueba para la medición de la dureza de la fractura" . doi : 10.1520 / e1820-20a . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ BE Amstutz, MA Sutton, DS Dawicke "Un estudio experimental de CTOD para el crecimiento estable de grietas en modo I / modo II en muestras delgadas de aluminio", ASTM Special 1995