Rešavanje problema interfejsne prsline u elasto-plastičnim i ojačanim materijalima

Abstract

Prslina se najčešće pojavljuje na interfejsu između dva različita materijala, jer je žilavost interfejsa manja od žilavosti materijala koji ga obrazuju. Određivanje žilavosti interfejsne prsline u bimaterijalnim kombinacijama je osnovno za analizu mehanizma loma u primenjenim materijalima. U disertaciji je razmatran problem prsline koja skreće sa interfejsa i nastavlja da se širi u jednom od materijala. Analiziran je uticaj elastičnosti materijala koji obrazuju interfejs na ponašanje prsline koja se širi na interfejsu, kao i prsline koja se približava interfejsu. Rezultati dobijeni u disertaciji navode na zaključak da će prslina težiti da ostane na interfejsu bez obzira na opterećenje ukoliko je elastičniji materijal jači od interfejsa, a materijal veće krtosti jak bar koliko i interfejs. U ovoj disertaciji je prikazano i rešenje za problem prsline na interfejsu između dva elastično-plastična materijala unutar okvira definisanog nelinearnom mehanikom loma u homogenim materijalima. Rešenja su izvedena za materijale opisane J2 -deforma- cionom teorijom. Naponsko polje blizu vrha prsline za spojene elasto-plastične materijale u uslovima tečenja u malom obimu, dobro se slaže sa mešovitim modom HRR polja za homogene materijale. U okviru disertacije data je i analiza ponašanja tankih filmova i prevlaka primenjujući elastičnu mehaniku loma. Data je analiza ivičnog raslojavanja prevlake i uticaja položaja ivice prevlake u odnosu na ivicu osnove kao i uslovi pod kojima nastupa raslojavanje bubrenjem. Analizom se došlo do zaključka da uglovne ivice osnovnog materijala daju suštinsku unutrašnju zaštitu protiv raslojavanja prevlaka interfejsa. Unutrašnje ivice nemaju tu karakteristiku. Na osnovu analize prikazane u ovoj disertaciji može da se izvede zaključak da elastične karakteristike osnove imaju značajan uticaj na raslojavanje prevlake bubrenjem u obliku dugačkog ravnostranog mehura. Data je takođe i analiza raslojavanja tankog filma sa osnove u uslovima kada se u jednom od materijala koji čine interfejs javljaju nelinearne, elasto-plastične deformacije. Koristeći se prednostima programskog paketa Mathematica® uz analitičko-numeričku analizu određene su granice u kojima se javlja tečenje u malom i velikom obimu. Analizom je prikazano da u slučaju pojave elasto-plastičnih deformacija debljina filma igra značajnu ulogu na veličinu pobudne sile samo u jednom malom opsegu. Čim se ta zona pređe u oblasti vrha prsline se javljaju samo tečenja u malom obimu i se mogu primeniti zaključci iz glave tri ovog rada.

In this dissertation is considered the problem of an interfacial crack that is deflecting from the interface and continues to propagate in one of the two materials. The influence of elasticity of materials that constitute the interface, on behavior of a crack that propagates along the interface and the crack approaching the interface was analyzed. Results obtained in this research point to the conclusion that the crack would tend to remain at the interface regardless of the applied loading if the more ductile of the two materials is tougher than the interface and the more brittle material is at least as tough as the interface. The solution for the problem of a crack at the interface between the two elastic-plastic materials, within the framework defined by the nonlinear fracture mechanics, is also presented in this dissertation. The solutions were derived for materials defined by the J2-deformation theory. The stress field at the crack tip for the joined elastic-plastic materials, within the small scale yielding conditions, is in good agreement with the mixed mode HRR field for the homogeneous materials. Analysis of the thin films behavior and coatings is also presented with application of the elastic fracture mechanics. An analysis is presented of the coating edge delamination, as well as analysis of influence of the edge position with respect to the edge of the substrate and the conditions in which the delamination by bubbling would occur. That analysis led to conclusion that corner edges of the substrate material act as substantial interior protection against the interface delamination. The interior edges do not possess that characteristic. Based on analysis, presented in this dissertation, one can come up with the conclusion that elastic characteristics of the substrate have significant influence on coating delamination by bubbling in the case of the straight double-sided blister. The analysis of thin film delamination from the substrate is also presented for the case when in one of the materials, which constitute the interface, appear nonlinear, elastic-plastic strains. The limits of appearance of the small scale or large scale yielding were established by exploiting the advantages of the symbolic programming routine Mathematica, accompanied by the analytical-numerical analysis. It was shown, that in the case of appearance of the elastic-plastic strains, the thin film thickness imposes the significant influence on magnitude of the excitation force, only within the small range. As soon as that range is exceeded, in the vicinity of the crack tip appear only the small scales yielding conditions.