background image

 

Wyznaczanie współczynnika intensywności naprężeń 

metodami optycznymi – materiały pomocnicze 

oprac. dr inż. Ludomir J.Jankowski     

Wstęp 

 

Mechanika pękania  to nauka o inicjacji i rozwoju szczelin (pęknięć) powstających w 

różnych  warunkach:  przy  obciążeniach  statycznych,  zmiennych  w  czasie,  w  środowisku 
korozyjnym,  itp.  Z  punktu  widzenia  wytrzymałości  materiałów,  szczelina  to  koncentrator 
naprężeń, a występujące w pobliżu wierzchołka szczeliny bardzo wysokie gradienty naprężeń 
wymagają  wprowadzenia  specyficznego  opisu  pola  naprężeń.  W  opisie  tym  występują 
parametry pękania, a wśród nich swoisty odpowiednik współczynnika koncentracji naprężeń, 
tj. 

współczynnik intensywności naprężeń

a)                                   b)                                  c) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 1. Rozciągane pasma z: a) otworem kołowym, b) otworem eliptycznym,  

c) szczeliną 

Wartości naprężeń maksymalnych w przypadku a) i b) określają wzory (1) i (2): 

 

 

 

 

 

(1) 

   

             

 

(2)   

Natomiast  w  przypadku  c)  konieczne  jest  uwzględnienie  faktu,  że  promień  w  wierzchołku 
szczeliny  dąży  do  zera,  powodując  osobliwość  rozwiązania  równań  opisujących  pole 
naprężeń  w  jego  otoczeniu.  Trudność  tę  można  usunąć  wprowadzając  współczynnik 
intensywności naprężeń  (

   

 

 

(3) 

Współczynnik koncentracji naprężeń 

Współczynnik intensywności naprężeń 

background image

 

W ramach mechaniki pękania rozpatruje się trzy podstawowe przypadki obciążenia brzegów 
szczeliny (tzw. mody): 

       a)                             b)                               c) 

           

 

 

Rys. 2. Schematy podstawowych przypadków obciążenia brzegów szczeliny: a) rozwieranie  

         (moda I), b) ścinanie (moda II), c) antypłaskie obciążenie brzegów (moda III) 

Poniżej  zostaną  pokazane  dwa  przykłady  zastosowania  optycznych  metod  pomiaru  do 
wyznaczania współczynnika intensywności naprężeń. 

Zastosowanie elastooptyki dwuwymiarowej w mechanice pękania (pomiar 

I

K

Stan  naprężenia  wokół  wierzchołka  szczeliny,  w  płaskim  stanie  naprężenia,  jest 

charakteryzowany  za  pomocą  współczynnika  intensywności  naprężeń.  Elastooptyka 
dwuwymiarowa  umożliwia  wyznaczenie  tych  współczynników  dla  przypadku  rozwarcia 
szczeliny (moda I) i ścinania (moda II), na podstawie danych elastooptycznych, tj. 

N

 i 

. Na 

rys. 3 pokazano charakterystyczny obraz izochrom wokół wierzchołków szczeliny centralnej 
w paśmie rozciąganym w kierunku prostopadłym do brzegów szczeliny. 

 

Rys. 3. Obraz izochrom połówkowych wokół wierzchołków szczeliny  

centralnej w rozciąganym paśmie 

Składowe stanu naprężenia (w prostokątnym układzie współrzędnych) są określone wzorami: 

x

I

x

r

K

0

2

3

sin

2

sin

1

2

cos

2

 

background image

 

    

2

3

sin

2

sin

1

2

cos

r

K

I

y

                                           (4) 

    

2

3

cos

2

cos

2

sin

2

r

K

I

xy

 

gdzie:

x

y

x

0

 - naprężenie w obszarze nie zaburzonym przez szczelinę. 

Wartość maksymalnego naprężenia stycznego wynosi: 

 

  

2

0

0

2

2

2

2

2

2

3

sin

sin

2

2

sin

2

2

x

I

x

I

xy

y

x

m

K

r

r

K

      (5) 

Jeśli przyjąć, że punkt pętli izochromy, w którym 

0

m

, ma współrzędne  

m

  i  

m

, to 

I

K

 i 

x

0

 można wyrazić za pomocą wielkości określonych na podstawie obrazu izochrom: 





m

m

m

m

m

I

r

K

tg

3

2

3

tg

2

1

tg

3

2

1

1

sin

2

2

2

                            (6) 

2

2

0

sin

2

3

cos

2

3

cos

cos

2

m

m

m

m

m

x

                                 (7) 

przy czym: 

 

 

 

      

t

f

N

m

2

 

 

 

 

Rys. 4. Schemat wyznaczania r

m

 i 

 

Metoda wyznaczania 

I

K

 przedstawiona powyżej (opracowana przez G.R.Irwin'a) jest 

czuła  na  błędy  wyznaczania  wielkości  mierzonych,  tj. 

m

N

,

  i 

m

r

.  Przyjmuje  się,  że  dla 

szczeliny  centralnej  o  długości  2a,  w  paśmie  rozciąganym  w  kierunku  prostopadłym  do 

 

   

 

background image

 

szczeliny,  kąt 

m

  powinien  zawierać  się  w  przedziale 

o

o

139

,

73

.  Wówczas  wartość 

współczynnika intensywności naprężeń jest oszacowana z błędem nie większym niż 5%. Aby 
poprawić  dokładność  (błąd  rzędu  2%),  wprowadza  się  modyfikacje,  polegające  na 
uwzględnieniu  informacji  zawartych  w  więcej  niż  jednej  pętli  izochromy.  I  tak, 
wykorzystując  dwie  pętle  izochrom  o  rzędach 

1

2

N

N

,  współczynnik

I

K

  może  być 

wyrażony za pomocą wzoru: 

a

r

g

K

m

I

,

,

2

                                                       (8) 

w którym funkcja 

a

r

g

,

,

 jest obliczana dla obu izochrom, i ma postać: 

a

r

a

r

a

r

g

2

2

2

2

3

sin

sin

2

2

sin

,

,

                        (9) 

Współczynnik 

I

x

K

a

0

  przyjmuje  się  zwyczajowo  równy  jedności,  a  po 

przekształceniach zależność (8) można przedstawić w postaci: 

2

1

1

2

1

2

2

1

2

r

g

r

g

t

N

N

r

r

f

K

I

                                         (10) 

Inna  modyfikacja  polega  na  pomiarze  odległości  od  wierzchołka  szczeliny  punktów 
przecięcia dwóch pętli izochrom 

i

 oraz 

j

 z osią 

y

układu współrzędnych, tj. dla zadanego 

kąta

o

90

. Wówczas współczynnik intensywności naprężeń może być obliczony ze wzoru: 

   

j

i

j

m

i

m

i

I

r

r

r

K

1

2

2

2

                                           (11) 

Wyznaczenie 

I

K

  umożliwia    obliczenie  innego  parametru  stosowanego  w  mechanice 

pękania,  którym  jest  współczynnik  uwalniania  energii  sprężystej 

i

G

.  Nazywany  również 

pracą  rozwarcia  szczeliny,  współczynnik  ten  jest  związany  ze  współczynnikiem 
intensywności naprężeń  wzorem (dla jednostkowej grubości pasma): 

E

K

a

U

G

I

I

2

                                                      (12) 

w  którym   

a

  jest  połową  długości  szczeliny,  a 

U

-  energią  potencjalną  niezbędną  do 

powstania  szczeliny.  Zmiany  tej  energii,  po  osiągnięciu  pewnej  wartości  krytycznej, 
powodują  propagację  szczeliny,  a  odpowiadające  stanowi  krytycznemu  współczynniki 

I

K

  i 

I

G

 są  oznaczane odpowiednio: 

Ic

 i  

Ic

G

(wartości krytyczne). Współczynnik 

Ic

nazywany 

odpornością  materiału  na  pękanie,  jest  rzeczywistą  charakterystyką  materiału,  określającą 
jego zachowanie w aspekcie zniszczenia.  
 

Szersze omówienie możliwości zastosowania elastooptyki w badaniach mechanizmów 

pękania wykracza poza ramy niniejszego opracowania. Warto jednak zaznaczyć, że techniki 
pomiarów  wykorzystujące  elastooptykę  umożliwiają  wyznaczanie  parametrów  pękania  dla 

background image

 

innych  postaci  zniszczenia  (mody  szczeliny),  w  przypadku  mieszanej  postaci  obciążenia 
szczeliny (rozwarcie ze ścinaniem) – rys. 5, a także w analizie pękania ciał trójwymiarowych.  

 

Rys. 5. Obraz izochrom całkowitych – moda mieszana (K

I

 + K

II

)  

 

Rys. 6. Obraz izochrom całkowitych (moda I) w elastooptycznej warstwie  

powierzchniowej 

  

Wartość  współczynnika  intensywności  naprężenia  można  również  wyznaczyć  na 

podstawie obrazu izochrom zarejestrowanych w elastooptycznej warstwie powierzchniowej – 
rys.  6.  Analizę  obrazu  przeprowadza  się  w  sposób  zaproponowany  przez  G.Irwina,  tj.  na 
podstawie  obrazu  izochrom  widocznych  wokół  wierzchołka  szczeliny.  Wartość 
współczynnika K

Ic 

(dla mody I – rozwierania brzegów szczeliny) określa wzór: 

         (13) 

Warstwa powierzchniowa 

background image

 

 

Powyższe  równanie  może  być  stosowane  wówczas,  gdy  kąt  określający  położenie 

najbardziej oddalonego punktu pętli izochromy o rzędzie N, spełnia warunek: 

 

Alternatywą,  jest  zaproponowana  przez  H.C.  Soo  i  I.M.  Daniela,  metoda  polegająca  na 
pomiarach  prowadzonych  w  pewnej  odległości  od  wierzchołka  szczeliny.  Maksymalne 
odkształcenie postaciowe jest funkcją K

ap

 (współczynnika „przybliżonego”): 

                                     (14) 

a  stąd  (po  uwzględnieniu  podstawowych  zależności  między  odkształceniem  i  efektem 
optycznym): 

                     (15) 

Dokonując  pomiarów  N  na  osi  y,  tj.  dla 

,  powyższe  równanie  upraszcza  się  do 

postaci: 

                                        (16) 

Wartości  K

ap

  należy  obliczyć  dla  różnych  wartości  r  na  podstawie  pomiarów  rzędów 

izochrom N(r), a następnie wyznaczyć K

Ic

 (w wierzchołku szczeliny) na drodze ekstrapolacji.  

 

Zastosowanie metody kaustyk do wyznaczania współczynnika intensywności naprężeń 

 

 

Kaustyka  –  to  hiperpowierzchnia  stanowiąca  obwiednię  wiązki  promieni  świetlnych 

biegnących  z  punktowego,  określonego  źródła  światła  (w  szczególności,  punktowe  źródło 
światła może leżeć w nieskończoności = równoległa wiązka światła), i: 
- odbitych od innej hiperpowierzchni – katakaustyka, 
- ugiętych przez ośrodek, przez który biegnie światło – diakaustyka. 
 
 

 

 

background image

 

 

 

 

 

Rys. 7. Przykłady katakaustyk 

 

Metoda  kaustyk  jest  w  mechanice  wykorzystywana  do  wyznaczania  parametrów 

charakteryzujących  osobliwości  pola  naprężeń,  takich  jak:  spiętrzenia  naprężeń  wokół 
wierzchołka  szczeliny,  w  dnie  karbu,  w  rejonie  kontaktu  dwóch  ciał,  czy  w  miejscach 
wprowadzenia obciążeń skupionych – rys. 8. 

 

background image

 

       

 

Rys. 8. Przykłady osobliwości pól naprężeń 

Jej  istotą  jest  uzyskanie  informacji  o  tych  osobliwościach  na  drodze  optycznej, 

poprzez  obserwację  efektu  optycznego  związanego  z  generowaniem  przez  lokalnie 
zdeformowany ośrodek specyficznego pola optycznego W praktyce, obserwowany jest efekt 
w  postaci  ciemnego  pola  otoczonego  jasnym  prążkiem  (linią)  zwanym  kaustyką.  Jest  ona 
formowana  przez  promienie  wiązki  światła  odbite  od  powierzchni  lub  przechodzące  przez 
ośrodek, które tworzą (na skutek odbicia lub ugięcia)  w przestrzeni powierzchnię kaustyczną 
ściśle związaną z parametrami charakteryzującymi daną osobliwość pola naprężeń. Przecięcie 
tej  powierzchni  płaszczyzną  referencyjną  (np.  ekranu)  daje  obraz  krzywej  płaskiej,  o 
zwiększonym  natężeniu  światła, otaczającej  ciemny  region

.   Zaletą tej metody pomiaru jest 

możliwość  wykorzystania  związków  między  parametrami  osobliwego  pola  naprężeń  i 
geometrią kaustyki (np. jej średnicą).  

Idea  metody  –  na  przykładzie  diakaustyki  -  jest  pokazana  na  rys.  8.  Padająca 

równoległa  wiązka  światła  (np.  koherentnego)  przechodzi  przez  ośrodek  transmisyjny  ze 
szczeliną,  którego  powierzchnia  jest  usytuowana  prostopadle  do  kierunku  padania  światła. 
Jeśli ośrodek poddany jest działaniu płaskiego stanu naprężenia, to w rejonie osobliwości tego 
pola pojawią się zmiany grubości  ∆t (x, y) wywołane efektem współczynnika Poisson'a: 

                                       

  ∆ t = - t ν (σ 

xx

 + σ 

yy

)/ E

                                       

(17) 

Na  skutek  działania  sumy  naprężeń  (σ

xx

  +  σ

yy

)  powierzchnie  badanego  ośrodka  ulegają 

deformacji Powierzchnie te działają jak “soczewka”, powodując ugięcie promieni światła. W 
odległości  z

,  w  płaszczyźnie  referencyjnej  (ekranu),  obserwowany  jest  efekt  ugięcia  tych 

promieni  w  postaci  ciemnego  obszaru  otoczonego  jasnym  prążkiem  (efekt  przecięcia 
powierzchni  kaustycznej  płaszczyzną  ekranu).  W  obszarach  otaczających  kaustykę, 
odpowiadających  niskim  gradientom  (σ

xx

  +  σ

yy

),  obserwowane  jest  nieco  zmniejszone 

natężenie  światła.  Tak  więc,  widoczny  na  ekranie  obraz  jest  ściśle związany  z  polem  sumy 
naprężeń działających w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku wiązki światła.  

 

 

 

 

background image

 

 

                          

      

 

            Rys. 10. Obraz diakaustyki na ekranie – moda I 

W  przypadku  obiektu  dyfuzyjnego  występuje  analogiczny  mechanizm  powstawania 

kaustyki z tym, że tworzą ją  na ekranie promienie światła odbite od niepłaskiej powierzchni 
obiektu  (niepłaskie  zwierciadło).  W  tym  przypadku  na  ekranie  jest  obserwowany  pozorny 
obraz kaustyki, a współczynnik załamania wynosi n = -1.   

Rys. 11. Układ współrzędnych 

 

    Rys. 9. Schemat powstawania diakaustyki – próbka rozciągana ze szczeliną 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

10 

 

Na  rys.  11  pokazano  układ  współrzędnych  dla  przypadku  próbki  ze  szczeliną. 

Powstający wokół wierzchołka szczeliny efekt “soczewkowania” wywołuje ugięcie promieni 
światła, które na ekranie tworzą obraz kaustyki. Niech punkt P

s

  leży  w pobliżu wierzchołka 

szczeliny w płaszczyźnie próbki. Promień światła przechodząc przez ten punkt ulega ugięciu, 
i  na  ekranie  położonym  w  odległości  z

0

  (w  płaszczyźnie  π

  tworzy  obraz  tego  punktu    P

i

Położenie tego punktu określa wektor: 

r

i

 = r

 + g  

                                                  

(18) 

Wektor  g  opisuje  przemieszczenie  obrazu  punktu  P

,  leżącego  w  płaszczyźnie  próbki,  do 

punktu  P

i   

w  płaszczyźnie  ekranu,  i  jest  zależny  od  odległości  ekranu  i  lokalnej  deformacji 

powierzchni próbki: 

g = - z

0

  (∆ s)   

                                              

(19) 

∆ (∂/∂x) + (∂/∂y) + (∂/∂z) –  operator, 

∆ s – dodatkowa droga optyczna wywołana przez zmiany grubości próbki 

                        na skutek działania naprężeń oraz zmiany wartości współczynnika 
                        załamania ośrodka  n. 

 Jeśli grubość jest stała, to zmianę drogi optycznej opisuje wzór: 

∆ s =  (n – 1) ∆t + t ∆n  

                                         

(20) 

Dla płaskiego stanu naprężenia (σ

zz

 = 0) zmiany grubości ∆t są opisane wzorem (17). 

 

Zmiany  wartości  współczynnika  załamania  światła  są  funkcją  naprężeń  głównych 

(równania Maxwell’a): 

∆ n

1

 = c

1

 σ

1

 + c

2

 σ

                                                     (21)

 

∆ n

2

 = c

σ

2

 + c

2

σ

gdzie: c

1

, c

2

 – stałe optyczne materiału ośrodka. 

Powyższe związki umożliwiają wyznaczenie zmian długości drogi optycznej w funkcji sumy i 
różnicy naprężeń głównych: 

∆ s

1

 = C

t [(σ

1

 + σ

2

) + C

2

 (σ

1

 – σ

2

)]                                         (22) 

∆ s

2

 = C

1

 t [(σ

1

 + σ

2

) - C

2

 (σ

1

 – σ

2

)] 

 

gdzie:  C

1

 = (c

1

 + c

2

)/2 – ν (n – 1)/E 

                             C

2

 = (c

1

 – c

2

)/{c

1

 + c

2

 – [2 ν (n –1)/E]}. 

 

Z równania  (22) wynika, że w płaszczyźnie ekranu (płaszczyźnie obrazowej) mogą pojawić 
się  dwie  kaustyki.  Kaustyka  związana  z  ∆s

2

  jest  efektem  anizotropii  optycznej 

(dwójłomności). Dla materiału optycznie izotropowego jest:   

∆ s

1

 = ∆ s

2

 = ∆ s = C

1

 t (σ

1

 + σ

2

)                                              (23) 

Powstawanie  kaustyk  jest  wywołane  przede  wszystkim  przez  gradient  naprężeń  w  rejonie 
osobliwości pola naprężeń. Obraz kaustyki powstałej w wyniku obciążenia pierwszego typu 
szczeliny krawędziowej (moda I) pokazano powyżej. 

background image

11 

 

Dla  takiego  przypadku,  związki  między  naprężeniami  w  rejonie  wierzchołka  szczeliny  a 
współczynnikiem  intensywności  naprężeń  K

I 

charakteryzującym  materiał  ośrodka  mają 

postać: 

 

 

 

W przypadku optycznie izotropowego materiału ośrodka jest: 

 

 

W  tym  przypadku  kaustyka  ma  postać  krzywej,  otaczającej  ciemne  pole  (zlokalizowane  w 
rejonie wierzchołka szczeliny), określonej jako granica między jasnym prążkiem i ciemnym 
polem, przy czym spełniony jest warunek:  

(∂x

i

∂y

i

 / ∂r∂Θ) – (∂x

i

∂y

i

 / ∂Θ∂r) = 0   

      

 

(26) 

Ze  wzorów  (25)  i  (26)  otrzymuje  się  zależność  między  promieniem    r  ,  określającym 
położenie zbioru punktów  P

s

  na  próbce  oraz  krzywą  kaustyki  obserwowaną  w  płaszczyźnie 

obrazowej.  Równanie: 

 

pokazuje,  że  krzywą  początkową  kaustyki  jest  okrąg  o  promieniu  r

0

.  Zmieniając  położenie 

ekranu  lub  wartość  obciążenia  otrzymuje  się  różne  położenia  okręgu  początkowego 
(podstawowego).  Dla  określonej  wartości  K

I

  i  z

0

  okrąg  jest  zlokalizowany  zgodnie  z 

równaniem  (27).  Podstawiając  równanie  (27)  do  równania  (26)  otrzymuje  się  opis  krzywej 
kaustyki jako obrazu okręgu podstawowego, stąd:  

 

 

przy czym: 

 

 

 

 

    (24) 

    (25) 

(27) 

(28) 

background image

12 

 

 

Równania  (28)  są  uogólnionymi  równaniami 

epicykloidy

,  której  maksymalna  średnica  (rys. 

12) w funkcji promienia okręgu podstawowego r

0

 ma wartość:  

D = 3.17 r

0

 

Natomiast współczynnik intensywności naprężeń  K

I

  może być obliczony ze wzoru: 

 

K

I

 = 0.0934 D

5/2

/ z

0

 C

1

 t 

                                        

 

Rys. 12. Epicykloida diakaustyki – moda I  

Należy  podkreślić,  że  współczynnik  intensywności  naprężeń  (WIN)  jest  parametrem 

używanym zarówno do opisu stanu poprzedzającego spontaniczną propagację szczeliny, jak i 
do opisu dynamiki jej rozwoju.  

Ze względu na swoją prostotę, metoda kaustyk jest szeroko stosowana w badaniach z 

zakresu  mechaniki  pękania,  przy  czym  dominują  badania  w  układach  pomiarowych 
transmisyjnych  (materiały  przezroczyste,  np.  PMMA).  Rzadziej  stosowane  są  układy 
umożliwiające  obserwację  kaustyk  w  świetle  odbitym  (głównie  pomiary  na  metalowych 
próbkach). Niezależnie od typu układu pomiarowego, najczęściej jest to układ z równoległą 
wiązką światła, z reguły jako źródło światła wykorzystywane są źródła światła koherentnego 
(lasery),  które  umożliwiają  uzyskanie  wyższego  kontrastu  między  jasnym  prążkiem,  a 
ciemnym polem. Na rys. 13 pokazano schematy innych układów pomiarowych, w tym układ 
do obserwacji w świetle odbitym. 

 

 

 

(29) 

(30) 

Epicykloida  kaustyki 

Okrąg  podstawowy 

background image

13 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 13. Przykłady układów pomiarowych 

W  przypadku  stosowania  układów  z  nierównoległą  wiązką  światła  należy  uwzględnić  jej 
geometrię, która ma wpływ na wielkość obserwowanej na ekranie kaustyki. 

Najczęściej stosowane próbki w badaniach odporności na pękanie pokazano na rys. 14. 

 

a) 

 

 

 

 

      b) 

       

 

 

      c) 

 

 

Rys. 14. Próbki do badania odporności na pękanie: a) typu CT,  

a)  czteropunktowo lub trójpunktowo zginana, c) rurowe 

                   (ze szczeliną wewnętrzną lub zewnętrzną) 

 

 

 

 

    w 

(t) 

1.2 W 

0.25W 

     a 

 

Próbka (obiekt) 

background image

14 

 

Obliczenia współczynnika intensywności naprężeń 

 

Wartości  współczynnika  intensywności  naprężenia,  dla  wybranej  postaci  próbek  (z 

uwzględnieniem sposobu obciążenia próbki i jej skończonych wymiarów), podano poniżej. 

Próbka kompaktowa (CT) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 

 

 
Próbka trójpunktowo zginana 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

W obydwu przypadkach współczynnik 

λ wynosi λ = a

W.

 

0.25 W 

0.55 W 

1.2 W 

1.25W 

( t = 0.5W) 

L/2 

background image

15 

 

Literatura 

[1] Neimitz A., Mechanika pękania, PWN, Warszawa, 1998 
[2] Bochenek A., Elementy mechaniki pękania, Wyd. Polit. Częstochowskiej, Częstochowa, 1998 
[3] German J., Podstawy mechaniki pękania, skrypt Polit. Krakowskiej, Kraków, 2005 
[4] Dally J.W., Riley W.F., Experimental Stress Analysis, 3rd Ed., McGraw-Hill, Inc., 1991