Influence of a Free Surface and Gradient Change of Material Properties on a Crack Behaviour

Tato disertační práce vznikla pod vedením školitele doc. Ing. Luboše Náhlíka, Ph.D. a pod dohledem školitele specialisty doc. Ing. Pavla Hutaře, Ph.D. Tématem předkládané práce je studium vlivu volného povrchu tělesa a gradientní změny materiálových vlastností na chování trhliny. Společným tématem práce je lomově-mechanický popis chování trhliny v blízkosti materiálové nehomogenity. V této práci je materiálová nehomogenita chápána buď jako hranice tělesa (rozhraní těleso/okolní prostředí) nebo jako spojitá změna materiálových vlastností. Disertační práce začíná rešeršní částí, ve které je popsán stav současného poznání týkající se studovaného tématu. Zaměřuje se především na popisy napjatosti v okolí obecného singulárního koncentrátoru napětí, konkrétně v okolí trhliny a V-vrubu. Je zde popsáno, jakým způsobem je ovlivněn tvar čela trhliny, která se šíří v blízkém okolí volného povrchu tělesa. Rešeršní část pak pokračuje popisem materiálů s gradientní změnou materiálových vlastností. V následující kapitole je stručně formulován problém a cíle disertační práce. Těžištěm práce je lomově-mechanický popis chování trhliny, která se nachází v oblasti ovlivněné materiálovou nehomogenitou. Důraz je kladen na popis pole napětí v blízkosti volného povrchu tělesa, kde dochází ke změně charakteru singulárního pole napětí. K popisu pole napětí je využito postupů zobecněné lomové mechaniky, která se využívá při hodnocení obecných singulárních koncentrátorů napětí. V následujících kapitolách je ukázán rozdíl mezi chováním trhliny v tenkostěnných a tlustostěnných konstrukcích, který je doplněn příklady. Použité metody a postupy jsou pak dále využity při popisu chování trhliny v materiálech s gradientní změnou materiálových vlastností. V závěru práce jsou diskutovány výsledky v širším kontextu.This thesis was written under the supervision of Assoc. Prof. Luboš Náhlík, Ph.D. and Assoc. Prof. Pavel Hutař, Ph.D. The topic of this thesis is the study of a free surface effect and gradient change of material properties on a crack behavior. The common theme of the work is a fracture mechanics description of a crack behavior near a material nonhomogeneity. Here, the material nonhomogeneity can be understood either as a boundary of a body (interface between body and surrounding) or as a continuous change of material properties. The thesis is introduced by a review part where the state-of-the-art of the concerned topic is described. This part presents several stress state descriptions in the vicinity of some general singular stress concentrators, particularly a crack and a V-notch. The influence of the free surface on a fatigue crack front shape is discussed here. The review part follows with the fracture mechanics description of the graded materials. The problem formulation and the main aims of the thesis are stated in the following chapter. The core of this work is the fracture mechanical description of a crack propagating near the material nonhomogeneity. The thesis focuses on a stress field description near the free surface of the body where a change in a type of the singular stress field occurs. Methods used in generalized fracture mechanics are applied here to describe the stress field near the free surface. The difference between crack behavior in thin-walled and thick-walled structures is shown and supplied by relevant examples. Methods and procedures used are later utilized for estimation of a crack behavior in graded structures. The thesis is concluded by the discussion of obtained results in appropriate context.