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BASIC FRACTURE MECHANICS AND ITS APPLICATIONS

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Referencia: Código 10354


DESCRIPCIÓN:

Enero de 2023  - Ashok Saxena  -  Refª 10354

CONTENIDO:

Ashok Saxena

Enero de 2023       Páginas: 342

Código 10354      ISBN/EAN: 9781032267197

Book Description

This textbook provides a comprehensive guide to fracture mechanics and its applications, providing an in-depth discussion of linear elastic fracture mechanics and a brief introduction to nonlinear fracture mechanics. It is an essential companion to the study of several disciplines such as aerospace, biomedical, civil, materials and mechanical engineering. This interdisciplinary textbook is also useful for professionals in several industries dealing with design and manufacturing of engineering materials and structures.

Beginning with four foundational chapters, discussing the theory in depth, the book also presents specific aspects of how fracture mechanics is used to address fatigue crack growth, environment assisted cracking, and creep and creep-fatigue crack growth. Other topics include mixed-mode fracture and materials testing and selection for damage tolerant design, alongside in-depth discussions of ensuring structural integrity of components through real-world examples. There is a strong focus throughout the book on the practical applications of fracture mechanics. It provides a clear description of the theoretical aspects of fracture mechanics and also its limitations. Appendices provide additional background to ensure a comprehensive understanding and every chapter includes solved example problems and unsolved end of chapter problems. Additional instructor support materials are also available.

Table of Contents

1. Fracture in Structural Components

1.1 Fracture in Engineering Materials and Structures: Societal Relevance

1.1.1 Safety Assessments

1.1.2 Environment and Health Hazards

1.1.3 Optimizing Costs (Fuel economy, material costs, opportunity costs)

1.1.4 Product Liability

1.2 Examples of Prominent Fractures and the Underlying Causes

1.2.1 Failures in Liberty Ships

1.2.2 Failures of Comet Aircraft

1.2.3 Cracks in A380 Aircrafts

1.2.4 Crack in a Structural Member of an Interstate Highway Bridge

1.2.5 Cracks in Human Bones

1.2.6 Aneurysms in Human Abdominal Aortas

1.3 Degradation Phenomena and Fracture in Engineering Materials and Structures

1.3.1 Crack Initiation/Formation and Growth

1.4 History of Developments in Understanding Fatigue and Fracture

1.4.1 Developments in Understanding of Fatigue

1.4.2 Understanding Brittle and Ductile Fracture

1.4.3 Early Developments in Fracture Mechanics

1.4.4 Developments in Elastic-Plastic Fracture Mechanics

1.4.5 Environment Assisted Cracking

1.4.6 Developments in Time Dependent Fracture Mechanics

1.5 Summary

2. Early Theories of Fracture

2.1 Microscopic Aspects of Fracture

2.1.1 Intergranular and Transgranular Fracture

2.1.2 Equi-Cohesive Temperature

2.1.3 Ductile and Brittle Fracture

2.2 Models of Fracture at Atomic Scale

2.3 Stress Concentration Effects of Flaws

2.4 Griffith’s Theory of Brittle Fracture

2.5 Orowan’s Modification to Griffith’s Theory

2.6 The Concept of Crack Extension Force, G

2.6.1 Estimation of Griffith’s Crack Extension Force for an Arbitrary Shaped Body

2.7 Crack Growth Resistance, R

2.8 Predicting Instability in Cracked Structures

2.8.1 Predicting Instability Conditions for a General Case

2.9 Summary

Appendix 2A: Review of Solid Mechanics

2A.1 Stress

2A.2 Strain

2A.3 Elasticity

2A.4 Elastic Strain Energy

2A.5 Stress Transformation Equations

2A.6 Stress–Strain Behavior

3. Theoretical Basis for Linear Elastic Fracture Mechanics

3.1 Classification of Engineering Structural Materials and Defects

3.2 Stress Analysis of Cracks

3.2.1 Equations of Elasticity

3.2.2 Compatibility Equations

3.2.3 Application of Airy’s Stress Function to Crack Problems

3.3 Stress Intensity Parameter, K, for Various Crack Geometries and Loading Configurations by the Westergaard Method

3.4 Crack Tip Displacement Fields

3.5 The Relationship between G and K

3.6 Determining K for Other Loading and Crack Geometries

3.7 Use of Linear Superposition Principle for Deriving K-Solutions

3.8 K-Solutions for 3-D Cracks

3.9 Summary

Appendix 3A

3A.1 Cauchy-Riemann Equations

3A.2 Derivation of the Crack Tip Displacement Fields

4. Crack Tip Plasticity

4.1 Estimate of the Plastic Zone Size

4.2 Plasticity Modified Crack Tip Stress Field for SSY

4.3 Plastic Zone Shape

4.4 Crack Tip Opening Displacement (CTOD)

4.5 Summary

Appendix 4A: Plastic Yielding Under Uniaxial and Multiaxial Conditions

4A.1 Uniaxial Stress-Strain Curve

4A.2 Von Mises Yield Criterion for Multiaxial Loading

4A.3 Tresca Yield Criterion

5. Fracture Toughness and Its Measurement

5.1 Similitude and the Stress Intensity Parameter, K

5.2 Fracture Toughness as a Function of Plate Thickness

5.3 Ductile and Brittle Fracture and the LEFM Approach

5.4 Measurement of Fracture Toughness

5.4.1 Measurement of Plane Strain Fracture Toughness, KIc

5.4.2 Fracture Toughness of Thin Panels

5.5 Correlations between Charpy Energy and Fracture Toughness

5.5.1 Charpy Energy versus Fracture Toughness Correlation for Lower-Shelf and Lower Transition Region

5.5.2 Charpy Energy versus Fracture Toughness Correlation for Upper-Shelf Region

5.6 Summary

Appendix 5A: Compliance Relationships for C(T) and M(T) Specimens

5A.1 Compliance Relationships for C(T) Specimen

5A.2 Compliance and K - Relationships for M(T) Specimens

6. Fatigue Crack Growth

6.1 Introduction

6.2 Fatigue Crack Growth (or Propagation) Rates

6.2.1 Definitions

6.2.2 Mechanisms of Fatigue Crack Growth

6.2.3 Fatigue Crack Growth Life Estimation

6.3 The Effect of Load Ratio, Temperature and Frequency on Fatigue Crack Growth Rate in the Paris Regime

6.4 Wide Range Fatigue Crack Growth Behavior

6.5 Crack Tip Plasticity during Cyclic Loading

6.5.1 Cyclic Plastic Zone

6.5.2 Crack Closure during Cyclic Loading

6.6 Fatigue Cycles Involving Compressive Loading

6.7 Models for Representing Load Ratio Effects on Fatigue Crack Growth Rates

6.8 Fatigue Crack Growth Measurements (ASTM Standard E647)

6.9 Behavior of Small or Short Cracks

6.10 Fatigue Crack Growth Under Variable Amplitude Loading

6.10.1 Effects of Single Overloads/Underloads on Fatigue Crack Growth Behavior

6.10.2 Variable Amplitude Loading

6.11 Summary

7. Environment-Assisted Cracking

7.1 Introduction

7.2 Mechanisms of EAC

7.3 Relationship between EAC and K under Static Loading

7.4 Methods of Determining KIEAC

7.5 Relationship betwee KIEAC and Yield Strength and Fracture Toughness

7.6 Environment Assisted Fatigue Crack Growth

7.7 Models for Environment Assisted Fatigue Crack Growth Behavior

7.7.1 Linear Superposition Model

7.7.2 A Model for Predicting the Effect of Hydrogen Pressure on the Fatigue Crack Growth Behavior

7.8 Summary

8. Fracture under Mixed-Mode Loading

8.1 Introduction

8.2 Stress Analysis of Cracks under Mixed-Mode Conditions

8.3 Mixed Mode Considerations in Fracture of Isotropic Materials

8.3.1 Fracture Criterion Based on Energy Available for Crack Extension

8.3.2 Maximum Circumferential Stress Fracture Criterion

8.3.3 Strain Energy Density (SED) as Mixed Mode Fracture Criterion

8.4 Fracture Toughness Measurements Under Mixed-Mode Conditions

8.4.1 Fracture in Bones

8.4.2 Measurement of Fracture Toughness in Mode II (KIIc)

8.4.3 Measurement of Interfacial Toughness in Laminate Composites

8.5 Fatigue Crack Growth under Mixed-Mode Loading

8.6 Summary

9. Fracture and Crack Growth under Elastic/Plastic Loading

9.1 Introduction

9.2 Rice’s J-Integral

9.3 J-Integral as a Fracture Parameter

9.4 Equations for Determining J in C(T) Specimens

9.5 Fatigue Crack Growth under Gross Plasticity Conditions

9.5.1 Experimental Correlations between da/dN and ∆J

9.6 Summary

10. Creep and Creep-Fatigue Crack Growth

10.1 Introduction

10.2 Creep Crack Growth

10.2.1 C*- Integral

10.2.2 C(t) Integral and the Ct Parameter

10.2.3 Creep Crack Growth in Creep-brittle Materials

10.3 Crack Growth under Creep-Fatigue-Environment Conditions

10.3.1 da/dN versus ∆K correlations

10.3.2 Creep-Fatigue Crack Growth Rates for Long Cycle Times

10.4 Summary

11. Case Studies in Applications of Fracture Mechanics

11.1 Introduction

11.1.1 Integrity Assessment of Structures and Components

11.1.2 Material and Process Selection

11.1.3 Design of Remaining Life Prediction

11.1.4 Inspection Criterion and Interval Determination

11.1.5 Failure Analysis

11.2 General Methodology for Fracture Mechanics Analysis

11.3 Case Studies

11.3.1 Optimizing Manufacturing Costs

11.3.2 Reliability of Service-Degraded Steam Turbine Rotors

11.3.3 Design of Vessels for Storing Gaseous Hydrogen at Very High Pressures

11.4 Summary

Descripción del libro

Este libro de texto proporciona una guía completa de la mecánica de fracturas y sus aplicaciones, brinda una discusión en profundidad de la mecánica de fracturas elásticas lineales y una breve introducción a la mecánica de fracturas no lineales. Es un compañero esencial para el estudio de varias disciplinas como la ingeniería aeroespacial, biomédica, civil, de materiales y mecánica. Este libro de texto interdisciplinario también es útil para los profesionales de varias industrias relacionadas con el diseño y la fabricación de materiales y estructuras de ingeniería.

Comenzando con cuatro capítulos fundamentales, discutiendo la teoría en profundidad, el libro también presenta aspectos específicos de cómo se usa la mecánica de fractura para abordar el crecimiento de grietas por fatiga, el agrietamiento asistido por el medio ambiente y el crecimiento de grietas por fatiga y por fluencia. Otros temas incluyen pruebas y selección de materiales y fracturas de modo mixto para un diseño tolerante a daños, junto con discusiones en profundidad sobre cómo garantizar la integridad estructural de los componentes a través de ejemplos del mundo real. Hay un fuerte enfoque a lo largo del libro en las aplicaciones prácticas de la mecánica de fractura. Proporciona una descripción clara de los aspectos teóricos de la mecánica de fractura y también sus limitaciones. Los apéndices brindan antecedentes adicionales para garantizar una comprensión integral y cada capítulo incluye problemas de ejemplo resueltos y problemas de final de capítulo sin resolver.

Tabla de contenido

1. Fractura en componentes estructurales

1.1 Fractura en materiales y estructuras de ingeniería: relevancia social

1.1.1 Evaluaciones de seguridad

1.1.2 Peligros para el medio ambiente y la salud

1.1.3 Optimización de costos (economía de combustible, costos de materiales, costos de oportunidad)

1.1.4 Responsabilidad del Producto

1.2 Ejemplos de fracturas prominentes y causas subyacentes

1.2.1 Fallas en Liberty Ships

1.2.2 Fallas de aeronaves Comet

1.2.3 Grietas en Aeronaves A380

1.2.4 Grieta en un miembro estructural de un puente de carretera interestatal

1.2.5 Grietas en huesos humanos

1.2.6 Aneurismas en aortas abdominales humanas

1.3 Fenómenos de degradación y fractura en materiales y estructuras de ingeniería

1.3.1 Iniciación/formación y crecimiento de grietas

1.4 Historia de los avances en la comprensión de la fatiga y la fractura

1.4.1 Avances en la comprensión de la fatiga

1.4.2 Comprender la fractura frágil y dúctil

1.4.3 Desarrollos tempranos en la mecánica de fracturas

1.4.4 Desarrollos en la mecánica de fracturas elástico-plásticas

1.4.5 Agrietamiento asistido por el entorno

1.4.6 Desarrollos en la mecánica de fracturas dependientes del tiempo

1.5 Resumen

2. Primeras teorías de la fractura

2.1 Aspectos microscópicos de la fractura

2.1.1 Fractura intergranular y transgranular

2.1.2 Temperatura de Equi-Cohesión

2.1.3 Fractura dúctil y frágil

2.2 Modelos de fractura a escala atómica

2.3 Efectos de concentración de tensión de las fallas

2.4 Teoría de la fractura frágil de Griffith

2.5 Modificación de Orowan a la teoría de Griffith

2.6 El concepto de fuerza de extensión de fisura, G

2.6.1 Estimación de la fuerza de extensión de fisura de Griffith para un cuerpo de forma arbitraria

2.7 Resistencia al crecimiento de grietas, R

2.8 Predicción de inestabilidad en estructuras agrietadas

2.8.1 Predicción de condiciones de inestabilidad para un caso general

2.9 Resumen

Apéndice 2A: Revisión de Mecánica de Sólidos

2A.1 Estrés

2A.2 Tensión

2A.3 Elasticidad

2A.4 Energía de deformación elástica

2A.5 Ecuaciones de transformación de tensión

2A.6 Comportamiento de tensión-deformación

3. Base teórica para la mecánica de fractura elástica lineal

3.1 Clasificación de materiales y defectos estructurales de ingeniería

3.2 Análisis de tensión de grietas

3.2.1 Ecuaciones de elasticidad

3.2.2 Ecuaciones de compatibilidad

3.2.3 Aplicación de la función de estrés de Airy a problemas de grietas

3.3 Parámetro de intensidad de tensión, K, para varias geometrías de grietas y configuraciones de carga por el método de Westergaard

3.4 Campos de desplazamiento de la punta de la grieta

3.5 La relación entre G y K

3.6 Determinación de K para otras geometrías de carga y grietas

3.7 Uso del principio de superposición lineal para derivar soluciones K

3.8 Soluciones K para grietas tridimensionales

3.9 Resumen

Apéndice 3A

3A.1 Ecuaciones de Cauchy-Riemann

3A.2 Derivación de los campos de desplazamiento de la punta de la grieta

4. Plasticidad de la punta de la grieta

4.1 Estimación del Tamaño de la Zona Plástica

4.2 Campo de tensión en la punta de la grieta modificado por plasticidad para SSY

4.3 Forma de la Zona Plástica

4.4 Desplazamiento de la apertura de la punta de la grieta (CTOD)

4.5 Resumen

Apéndice 4A: Cedencia plástica en condiciones uniaxiales y multiaxiales

4A.1 Curva tensión-deformación uniaxial

4A.2 Criterio de fluencia de Von Mises para carga multiaxial

4A.3 Criterio de rendimiento de Tresca

5. Tenacidad a la fractura y su medición

5.1 Similitud y el parámetro de intensidad de tensión, K

5.2 Tenacidad a la fractura en función del espesor de la placa

5.3 Fractura dúctil y frágil y el enfoque LEFM

5.4 Medición de la tenacidad a la fractura

5.4.1 Medición de la tenacidad a la fractura por deformación plana, K Ic

5.4.2 Tenacidad a la fractura de paneles delgados

5.5 Correlaciones entre la energía Charpy y la tenacidad a la fractura

5.5.1 Energía de Charpy versus Correlación de Tenacidad a la Fractura para la Plataforma Inferior y la Región de Transición Inferior

5.5.2 Energía de Charpy versus correlación de tenacidad a la fractura para la región del estante superior

5.6 Resumen

Apéndice 5A: Relaciones de cumplimiento para especímenes C(T) y M(T)

5A.1 Relaciones de cumplimiento para la muestra C(T)

5A.2 Cumplimiento y K - Relaciones para especímenes M(T)

6. Crecimiento de grietas por fatiga

6.1 Introducción

6.2 Tasas de crecimiento (o propagación) de grietas por fatiga

6.2.1 Definiciones

6.2.2 Mecanismos de crecimiento de grietas por fatiga

6.2.3 Estimación de la vida útil del crecimiento de grietas por fatiga

6.3 El efecto de la relación de carga, la temperatura y la frecuencia en la tasa de crecimiento de grietas por fatiga en el régimen de París

6.4 Comportamiento de crecimiento de grietas por fatiga de amplio rango

6.5 Plasticidad de la punta de la grieta durante la carga cíclica

6.5.1 Zona Plástica Cíclica

6.5.2 Cierre de fisura durante carga cíclica

6.6 Ciclos de fatiga que involucran carga de compresión

6.7 Modelos para representar los efectos de la relación de carga en las tasas de crecimiento de grietas por fatiga

6.8 Mediciones de crecimiento de grietas por fatiga (Norma ASTM E647)

6.9 Comportamiento de Grietas Pequeñas o Cortas

6.10 Crecimiento de fisuras por fatiga bajo carga de amplitud variable

6.10.1 Efectos de sobrecargas/subcargas individuales en el comportamiento de crecimiento de grietas por fatiga

6.10.2 Carga de amplitud variable

6.11 Resumen

7. Agrietamiento asistido por el medio ambiente

7.1 Introducción

7.2 Mecanismos de la EAC

7.3 Relación entre EAC y K bajo carga estática

7.4 Métodos para determinar K IEAC

7.5 Relación entre K IEAC y límite elástico y tenacidad a la fractura

7.6 Crecimiento de grietas por fatiga asistido por el medio ambiente

7.7 Modelos para el comportamiento del crecimiento de grietas por fatiga asistido por el entorno

7.7.1 Modelo de superposición lineal

7.7.2 Un modelo para predecir el efecto de la presión de hidrógeno en el comportamiento de crecimiento de grietas por fatiga

7.8 Resumen

8. Fractura bajo carga de modo mixto

8.1 Introducción

8.2 Análisis de tensión de grietas en condiciones de modo mixto

8.3 Consideraciones de modo mixto en la fractura de materiales isotrópicos

8.3.1 Criterio de Fractura Basado en la Energía Disponible para la Extensión de la Grieta

8.3.2 Criterio de fractura por estrés circunferencial máximo

8.3.3 Densidad de energía de deformación (SED) como criterio de fractura de modo mixto

8.4 Mediciones de la tenacidad a la fractura en condiciones de modo mixto

8.4.1 Fractura en huesos

8.4.2 Medición de la Tenacidad a la Fractura en Modo II (K IIc )

8.4.3 Medición de la dureza interfacial en compuestos laminados

8.5 Crecimiento de grietas por fatiga bajo carga de modo mixto

8.6 Resumen

9. Fractura y crecimiento de grietas bajo carga elástica/plástica

9.1 Introducción

9.2 Integral J de Rice

9.3 Integral J como parámetro de fractura

9.4 Ecuaciones para determinar J en probetas C(T)

9.5 Crecimiento de grietas por fatiga en condiciones de plasticidad bruta

9.5.1 Correlaciones experimentales entre da/dN y ∆J

9.6 Resumen

10. Crecimiento de grietas por fluencia y fatiga por fluencia

10.1 Introducción

10.2 Crecimiento de grietas por fluencia

10.2.1 C * - Integral

10.2.2 Integral C(t) y el parámetro Ct

10.2.3 Crecimiento de grietas por fluencia en materiales frágiles por fluencia

10.3 Crecimiento de grietas en condiciones ambientales de fluencia y fatiga

10.3.1 Correlaciones da/dN versus ∆K

10.3.2 Tasas de crecimiento de grietas por fatiga por fluencia lenta para tiempos de ciclo largos

10.4 Resumen

11. Estudios de casos en aplicaciones de mecánica de fracturas

11.1 Introducción

11.1.1 Evaluación de la integridad de estructuras y componentes

11.1.2 Selección de materiales y procesos

11.1.3 Diseño de predicción de vida restante

11.1.4 Criterio de inspección y determinación del intervalo

11.1.5 Análisis de fallas

11.2 Metodología General para el Análisis de Mecánica de Fractura

11.3 Estudios de casos

11.3.1 Optimización de los costos de fabricación

11.3.2 Confiabilidad de los rotores de turbinas de vapor degradados por el servicio

11.3.3 Diseño de Recipientes para Almacenamiento de Hidrógeno Gaseoso a Muy Altas Presiones

11.4 Resumen

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