بررسي شكست نمونه داراي شيار U-شكل ساخته‌شده از ماده مرتبه‌اي مس-فولاد تحت مود اول بارگذاري

Fracture assessment of specimens weakened by U-notch made of functionally graded materials under mode I loading

در اين مقاله اندازه گيري بار بحراني شكست در نمونه هاي مرتبه اي ساخته شده از مس و فولاد ابزار به دو روش حل عددي و تجربي مورد بررسي قرار گرفته است. ابتدا نمونه هاي مرتبه اي داراي شيار U-شكل در حالت توقف گر شيار با استفاده روش ذوب دوباره سرباره اي ساخته شدند. سپس جهت مشخص كردن محل لايه هاي مرتبه اي، نمونه ها مورد آزمون سختي راكول A قرار گرفتند. در اين نمونه ها خواص مكانيكي ازجمله مدول الاستيسيته و ضريب پواسون در عرض نمونه با توجه به مرتبه اي بودن آنها، متغير مي باشند. در ادامه نمونه ها تحت آزمون خمش سه نقطه در مود اول بارگذاري قرار گرفته و بار بحراني شكست آنها از طريق نمودار نيرو جابجايي به دست آمد. همچنين با شبيه سازي اين آزمون در نرم افزار المان محدود، ابتدا مقدار بحراني انتگرال J براي هر يك از نمونه ها به دست آمده و با استفاده از آن، مقدار بار بحراني شكست نيز ارزيابي شد. در اين تحقيق به ازاي عمق هاي مختلف نوك شيار، اثر تغيير شعاع شيار بر روي مقدار بحراني انتگرال J و بار بحراني شكست نمونه مرتبه اي و نمونه همگن متناظر آن اندازه گيري شده و مورد مقايسه قرارگرفته اند. ميانگين اختلاف بار شكست پيش بيني شده توسط معيار انتگرال J با نتايج تجربي برابر با 17/84 درصد است. در پايان تاثير تعداد لايه هاي ناحيه مرتبه اي بر روي انتگرال J بحراني و بار شكست بررسي شده و نشان داده شد كه اگر تعداد لايه ها بيشتر از 20 باشد، تعداد لايه ها تاثيري بر روي نتايج ندارد.

In this paper, fracture behavior of functionally graded material weakened by U-notches under mode I loading has been investigated. Electro slag remelting process has been used to produce functionally graded specimens in a notch arrester configuration. Hardness test has been utilized to define the position of each layer. Mechanical properties, including elastic modulus and poisson's ratio, vary along the width of U-notched specimens. The critical fracture load (Fcr) was achieved by performing three point bending examination and using force-displacement curve. Then, the process simulation was done by finite element software. Firstly, Jcr of each specimen was calculated by using critical value of strain energy averaged over a well-defined control volume. Then the critical fracture load was evaluated by means of the J Integral criterion. In this research, the effect of the notch root radius, for a fixed notch depth, on the Jcr value as well as the critical fracture load has been studied. To compare fracture behavior of the FG specimens with the corresponding homogeneous ones, have the same properties with the notch root layer in FG specimen, Fcr and Jcr value of each have been investigated. The average difference between the predicted Fcr by J integral criteria and experimental results is 17.84%. Finally, the effect of number of graded area layers on Jcr and Fcr has been investigated. The results shows, the value of Jcr and Fcr do not be affected while the number the number of layers more than 20.