Modelling and simulation of short fatigue cracks

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ett material som utsätts för varierande last, även under gränslasten för statisk kollaps, riskerar att utveckla sprickor som i sin tur kan orsaka brott. Denna typ av materialnedbrytning kallas utmattning och är ett ständigt aktuellt forskningsområde. Väldigt korta sprickor är kända för att växa på ett sätt som avviker från hur längre utmattningssprickor beter sig, även om lasten som de utsätts för är nominellt den samma. Med korta sprickor menas sådana som är maximalt några millimeter långa. Kor-ta sprickor växer ofta fortare än långa och de kan växa även vid lägre belastningar än gränslasten för långa sprickors tillväxt. Detta medför att vedertagna metoder för uppskattning av livslängd, base-rade på långa sprickors beteende, kan ge allt för optimistiska värden, med risk för haveri. Det är därför viktigt att kunna modellera och simulera korta utmattningssprickors tillväxt och därmed förbättra livlängsbedömningar för konstruktioner som utmattas. Det avvikande beteendet hos korta sprickor beror på att förhållandet vid sprickspetsen för en kort spricka är mycket känslig för mikrostrukturen hos materialet. Sprickslutningseffekter som tillskrives långa sprickor är däremot inte lika väsentliga. Syftet med denna avhandling är att studera de lokala förutsättningarna för tillväxt av korta sprickor i två olika strukturer. Både metoder som utvecklats för att modellera dessa utmattningssprickor samt resultat från olika undersökningar presenteras. Den första delen av avhandlingen behandlar problemet med en mikrostrukturellt kort kantspricka som växer i ett duktilt kristallint material, t.ex. en metall. Tillväxten antas ske genom alternerande avtrubbning och skärpning av sprickspetsen under det att en lokal plastisk zon utvecklas i sprickspetsens närhet. Tekniken som används bygger på dislokationsteori. Dislokationer är fel i kristallstrukturen som ger upphov till singulära spänningar i materialet. Modellen som utvecklats bygger på att dislokationer skapas och emitteras från sprickspetsen då tillväxt sker. Dessa dislokationer kan sedan röra sig längs specifika kristallriktningar så länge kraften som verkar på dem överskrider gittermotståndet eller tills de hindras av t.ex. en korngräns i materialet. Dislokationer som kommer för nära fria ytor, attraheras av dessa och kommer att utplånas. Sprickan i sig modelleras med en randelementformulering, där dipoler av dislokationer fördelas längs sprickan. Resultat från detaljerade studier av hur spricktillväxten påverkas mikrostrukturen redovisas, med fokus på emissons- och utplåningsförloppet samt utvecklingen av den plastiska zonen under några utmattningscykler. I en studie har upp till 5000 cykler simulerats. Denna visade på hur tävlingen mellan den plastiska zonens skyddande effekt på sprickspetsen och en ökande sprickdrivande kraft resulterade i både acceleration och retardation av en spricka, vilket ingen föregående modell, mig veterligen, kunnat visa. I den andra delen av avhandlingen studeras en interface-spricka som utsätts för varierande termisk last. En komplex spänningsintesitetsfaktor behövs för att beskriva spänningstillståndet i detta fall. En metod för att beräkna denna komplexa spänningsintensitetsfaktor från enkla finita elementberäkningar har tagits fram. Specifikt har förutsättningarna för spricktillväxt hos en kort interface-spricka i ett termiskt barriärsystem undersökts. Termiskt barriärskikt består av isolerande keramiska material som skyddar underliggande metalliska material mot för höga temperaturer. Undersökningarna visar att ju tjockare keramiskt skikt, desto större risk för spricktillväxt. Genom att fasa av skiktkanterna kan dock effekten mildras.