Üç boyutlu karışık mod kırılma kriterlerinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi ve geliştirilmesi

Abstract

Makine parçaları ve mühendislik yapıları malzemeye, geometriye, çevresel koşullara, yük ve sınır şartlarına bağlı olarak, pek çok alanda, çatlak veya kırılma problemleri ile karşılaşmaktadır. Bazı kritik yapılarda ise, bu problemler çok büyük bir sorun haline gelebilmektedir. Yapıda bulunan bu çatlaklar, belirli bir boyuta kadar yapının içerisinde kalabilmekte veya bazen faciaya yol açan bir ani kırılma ile ciddi maddi kayıplara, hatta bazı hallerde can kayıplarına da neden olabilmektedirler. Yapının veya makine parçalarının, yapıda var olan çatlaklar ile fonksiyonunu devam ettirmesinin güvenli olup olmadığı ve eğer güvenli ise, hasarlı yapının geri kalan ömrünün tespiti için kırılma parametrelerinin hassas ve doğru bir şekilde hesaplanması gerekmektedir. Gerçekleştirilen tez çalışmasında, iki ve üç boyutlu karışık modlu yüklere maruz çatlak içeren yapı elemanlarının, çatlak ilerleme yüzeyleri ve ömürlerinin doğru ve güvenilir bir şekilde tahmin edilebilmesi için, deneysel analiz, yöntem ve kırılma kriterleri geliştirilmiştir. Bu kapsamda, literatürde benzerleri bulunan numuneler ve yeni tasarlanan numune ve test sistemleri ile iki ve üç boyutlu karışık modlu çatlak ilerleme analiz ve deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yeni önerilen numune ve test sistemlerinin doğrulama çalışmaları gerçekleştirilerek, tüm testler için elde edilen veriler mevcut kriterler ile karşılaştırılarak, kırılma/kopma yükü, çatlak ilerleme ömrü ve çatlak ilerleme yüzey profilini doğru bir şekilde tahmin edebilen, yeni iki ve üç boyutlu kırılma ve çatlak ilerleme kriterleri geliştirilmiştir. Son olarak, hadde yönünün kırılma tokluğu ve çatlak ilerleme davranışına olan etkisi araştırılmış ve farklı hadde yönleri için özellikle düşük yükleme açılarında yaklaşık 5 kata varan ömür farklılıkları elde edilerek, hadde yönünün çatlak ilerleme davranışında önemli bir etkisinin olduğu gösterilmiştir.

Machine parts and engineering structures encounter with cracks or fracture problems in many areas depending on material, geometry, environmental conditions, loading and boundary conditions. In some critical structures, these problems may become a huge problem. These cracks can remain in the structure until a certain size or sometimes with a sudden fracture may cause serious financial losses that led to disaster and even in some cases may cause a loss of life. The structure or machine parts must be determined whether it is safe to resume the function with existing cracks and, if safe, fracture parameters must be calculate accurately for assessment of remaining life of a damaged structure. In this study, to predict crack propagation surfaces and life of structures containing cracks under two and three-dimensional mixed-mode loading accurately and reliably, experimental analyses, experimental method and fracture criteria are developed. In this context, two and three-dimensional mixed-mode crack propagation analyses and experiments are performed with specimens and test systems that some of them are exist in the literature and the others are designed for this study. Validation studies are performed for new proposed specimen and test systems. The data obtained from all analyses and experiments are compared with existing criteria and new two and threedimensional fracture and crack propagation criteria which are predict fracture/braking load, crack propagation life/surface accurately are developed. Finally, the effect of rolling direction on fracture toughness and crack propagation behavior is investigated and especially under low loading conditions, high differences are obtained for different rolling directions up to about five times. The results show that the rolling direction has a significant effect on crack growth behavior.