Modeling of the Fracture Behavior Sample Dependence on the Stress State Stiffness Coefficient at the Crack Tip
DOI:
https://doi.org/10.17072/1993-0550-2025-4-46-59Keywords:
constraint effect, stress triaxiality, T-stress, stress-strain state, stress intensity factorAbstract
This paper presents an interdisciplinary approach to fracture analysis, combining computational methods of fracture mechanics with traditional materials science analysis of microstructure. A new method for assessing a material's susceptibility to brittle or ductile fracture is proposed, based on the introduction and analysis of a stress stiffness coefficient distributed along the crack front. An algorithm for numerically calculating this parameter has been developed, which enables establishing its relationship with T-stresses and the radius of the plastic zone. It has been found that with a small plastic zone radius and near-zero T-stresses, there is an increased susceptibility to brittle fracture, whereas higher values of these parameters lead to the formation of a "softer" stress state and a transition to a ductile fracture mode. The obtained results help bridge the existing methodological gap between fractographic analysis and quantitative methods of fracture mechanics and can be utilized to predict the fracture behavior of structural materials.References
Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A. 1921. Vol. 221(2). P. 163−198.
Irwin G. R. Analysis of stresses and strains near the end of a crack traversing a plate // Journal of Applied Mechanics 1957. Vol. 24(3). P. 361−364.
Rice J. R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks // Journal of Applied Mechanics. 1968. Vol. 35. P. 379−386.
Механика хрупкого разрушения / Черепанов Г. П. М.: Наука, 1974. 640 c.
Пластичность и разрушение / Колмогоров В. Л. М.: Металлургия, 1977. 336 с.
Напряжения, деформации, разрушение / Колмогоров В. Л. М.: Металлургия, 1970. 229 с.
Ресурс пластичности металлов при обработке давлением / Богатов А. А., Мижирицкий О. И., Смирнов С. В. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
Larsson S. G., Carlsson A. J. Influence of non-singular stress terms and specimen geometry on small-scale yielding at crack tips in elastic-plastic materials // J. Mech. Phys. Solids 1973. Vol. 21. P. 263−272.
Rice J. R. Limitations to the small yielding approximation for crack tipplasticity // Journ. Mech Phys. Solid. 1974. Vol. 22. P. 17−26.
Модели и критерии механики разрушения / Матвиенко Ю. Г. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 328 с. ISBN: 978-5-9221-0669-6. EDN: RXGSLT.
Тенденции нелинейной механики разрушения в проблемах машиностроения / Матвиенко Ю. Г. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. 56 с. ISBN: 978-5-4344-0271-2. EDN: VRAHVD.
O’Dowd N. P., Shih C. F. Family of crack tip fields characterized by a triaxiality Parameter // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1991. Vol. 39. P. 989−1015.
Anderson T. L. Elastic – plastic fracture mechanics // Fracture Mechanics. Fundamentals and Applications. CRC Press. 1995. P. 139−181.
Guo W. L. Three-dimensional analyses of plastic constraint for through-thickness cracked bodies. Eng. Fract. Mech. 1999. Vol. 62. P. 383–407. EDN: ACQSUN.
Wang P., Hao W., Xie J., He F., Wang F., Huo C. Stress Triaxial Constraint and Fracture Toughness Properties of X90 Pipeline Steel. Metals. 2022. Vol. 12. P. 72. URL: https://doi.org/10.3390/met12010072. DOI: 10.3390/met12010072 EDN: HBMJGI (дата обращения: 25.09.2025).
Tiago Sartor et al. Influence of stress triaxiality on the fracture behaviour of Ti6Al4V alloy manufactured by electron beam melting // Latin American Journal of Solids and Structures. 2022. Vol. 19(8). P. 1−19. URL: https://doi.org/10.1590/1679-78257293. DOI: 10.1590/1679-78257293. (дата обращения: 25.09.2025).
Букатый А. С., Букатый С. А. Расчёты деталей на прочность с учётом жёсткости напряжённого состояния // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21, № 1. С. 34–41. DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-1-34-41. EDN: WNFYAJ.
Сопротивление материалов пластическому деформированию / Смирнов-Аляев Г. А. 3-е изд., Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1978. 368 с.
Низомов Д. Н., Ходжибоев А. А., Ходжибоев О. А. Поля напряжений и перемещений вблизи вершины трещины в линейной теории упругости // ДАН РТ. 2010. № 11. С. 856–864. EDN: NCTJSD.
Астапов Н. С., Кургузов В. Д. Моделирование упругопластического разрушения компактного образца // Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2024. № 87. С. 44−58. DOI: 10.17223/19988621/87/5. DOI: 10.17223/19988621/87/5. EDN: ZWPXII.
Жаббаров Р. М., Степанова Л. В. Сравнительный анализ полей напряжений у вершины трещины и боковых надрезов, полученных с помощью усеченных разложений Уильямса // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2021. № 4. С. 30−67. DOI: 10.18287/2541-7525-2021-27-4-30-67. DOI: 10.18287/2541-7525-2021-27-4-30-67. EDN: NERAKA.
Емельянов О.В., Пелипенко М.П. Оценка размера зоны пластических деформаций в вершине усталостной трещины при воздействиях перегрузок «Растяжение» // Вестник ЮУрГУ. Серия: Строительство и архитектура. 2014. № 4. С. 21–29. EDN: RDMSZF.
Fett T. Stress Intensity Factors - T-Stresses - Weight Functions. KIT Scientific Publishing, 2009. P. 380.
Park T. C., Kim B. S., Son J. H., Yeo Y. K. A New Fracture Analysis Technique for Charpy Impact Test Using Image Processing // Korean Journal of Metals and Materials. 2021. Vol. 59 (1). P. 61−66. DOI: 10.3365/KJMM.2021.59.1.61. DOI: 10.3365/KJMM.2021.59.1.61. EDN: DYXIMB.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2025 Леонид Александрович Прокопьев, Екатерина Михайловна Максимова, Яков Михайлович Андреев, Евгений Саввич Лукин, Семен Осипович Семенов
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Articles are published under license Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
