Fracture toughness and fatigue crack growth rate properties of a Ni-Cr-Mo-V steel sensitive to temper embrittlement

Fracture toughness and fatigue crack growth rate properties are presented for an intermediate strength Ni-Cr-Mo-V sieel. The material was obtained from a scrapped rotor forging known to be sensitive to temper embrittlement. Reported results are the unaged baseline data of an investigation of temper embrittlement in Ni-Cr-Mo-V steel from a quantitative fracture mechanics viewpoint.Fatigue crack growth rate properties did not vary drastically even at test temperatures up to 550°F. However, fracture toughness values increased sharply near room temperature, leveled off at 200°F, and then remained nearly constant up to 500°F. Such a distinct upper shelf behavior is the first noted for an intermediate strength steel. Upper shelf K _Ic values were in agreement with the upper shelf Charpy bar correlation of Rolfe and Novak. Observations are also presented on the variation of fractographic features with test temperature and their relation to measured fracture toughness properties.

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Résumé On a établi les propriétés de ténacité à la rupture et de vitesse de propagation des fissures de fatigue, dans le cas d'un acier de résistance intermédiaire au Ni-Cr-Mo-V. Cet acier provenait d'un rotor forgé mis au rebut, dont on connaissait la sensibilité à la fragilité au revenu.Les résultats mentionnés constituent les données de base d'une étude sur la fragilité au revenu de l'acier Ni-Cr-Mo-V du point de vue quantitatif de la mécanique de rupture.Les propriétés de vitesse de croissance des fissures de fatigue ne subissent pas de variations importantes, même jusqu'aux températures d'essai atteignant 550°F. Toutefois, les valeurs de la ténacité à la rupture accusent une nette augmentation au voisinage de la température ambiante, puis se stabilisent à un niveau à peu près constant entre 200°F et 500°F.Ce type de comportement, où apparaît distinctement un palier supérieur, est le premier rencontré dans le cas d'un acier de résistance intermédiaire. Les valeurs K_Ic correspondant à ce palier sont en bon accord avec la corrélation K_Ic-énergie maximum absorbée dans l'essai Charpy, proposée par ROLFE et NOVAK.L'article comporte également des observations sur l'évolution des caractéristiques microfractographiques avec la température d'essai, et sur leur relation avec les propriétés de ténacité à la rupture qui ont été mesurées.

     

The non-conservatism of the Weibull function when applied to the statistics of fracture toughness

It has become very clear that in many cases fracture toughness for a given material is variable; for example a quenched and tempered, high-strength low-alloyed steel such as might be used for the construction of pressure vessels for nuclear-power plants or off-shore platforms. Indeed for these materials fracture toughness can no longer be looked upon as a single-valued property at any given temperature but must rather be seen as a property with an inherent distribution of its values. The present paper shows that recent models for the distribution of toughness which are based on the two-parameter Weibull function are potentially dangerously non-conservative both for the estimation of low and medium values of toughness and for the estimation of the sizes of defects present in proof-tested parts.

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Résumé Il est devenu très clair que, dans de nombreux cas, la ténacité à la rupture d'un matériau est variable. Ainsi en est-il d'un acier à haute résistante faiblement allié, trempé et revenu, de la nuance utilisée pour la fabrication des capacités sous pression des centrales nucléaires, ou des composants de plateforme offshore.Pour ces matériaux, en effet, la ténacité à la rupture ne peut plus guère être considérée comme une propriété à valeur unique pour une température déterminée, mais doit plutôt être envisagée comme une propriété dont les valeurs répondent à une distribution qui lui est caractéristique.Le mémoire montre que les modèles récemment proposés pour décrire la distribution de la ténacité, qui sont basés sur une fonction de Weibull à deux paramètres, sont potentiellement empreints d'une dangereuse insécurité, pour l'estimation des valeurs inférieures et moyennes de la ténacité et pour l'estimation de la dimension des défauts présents dans les pièces soumises à essais.

     

Influence of prior-austenite grain size and fracture mode on the fracture toughness of 12% Cr steel

The prior-austenite grain size of a 12% Cr steel has been varied by altering the austenitising temperature. The effect of these variations on the K _Ic fracture toughness has been studied for the as-quenched condition and after subsequently tempering at temperatures up to 550°C. The fact that different fracture modes occurred within this range of heat-treatment has allowed the effect of grain size variations on fracture toughness to be compared for specific fracture morphologies.

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Résumé En modifiant la température d'austénitisation d'un acier à 12% Cr, on a fait varier son grain austénitique primaire et l'on a étudié l'effet de ces variations sur la ténacité à la rupture K _Ic dans l'état brut de trempe et après des revenus allant jusqu'à 550°C. Pour ces divers traitements thermiques, on a constaté des modes de rupture différents, ce qui a permis d'évaluer les effets de variations de la taille du grain sur la ténacité à la rupture, pour des morphologies de rupture bien spécifiques.

     

A micromechanistic approach to the warm pre-stressing of ferritic steels

Warm pre-stressing of a cracked body can result in an apparent elevation of its fracture toughness at lower testing temperatures. This effect has been observed in mild steel pre-loaded at room temperature and tested at –150°C, when the apparent toughness elevation can be as great as a factor of two. This toughness elevation is produced both when the pre-load is maintained during cooling and when the pre-load is completely removed prior to cooling.Crack tip stress distributions have been estimated for different warm pre-stressing histories by the superposition of the appropriate monotonic loading stress distributions. The Ritchie, Knott and Rice model of cleavage fracture and its associated fracture criterion have been used in conjunction with the crack tip stress distribution to predict the final fracture load after warm pre-stressing. Predictions so made are seen to be in good agreement with the experimental observations.

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Résumé La précharge à chaud d'un corps fissuré peut avoir comme conséquence une élévation apparente de la ténacité à la rupture aux températures d'essai les plus basses. Cet effet a été observé dans un acier doux présollicité à la température ambiante et essayé à –150°C et l'élévation apparente de la ténacité peut atteindre un facteur 2. Cette élévation de la ténacité produite à la fois lorsque la précharge est maintenue au cours du refroidissement et lorsque la précharge est complètement retirée avant le refroidissement.La distribution des contraintes à l'extrémité de la fissure a été estimée pour différentes histoires de pré-contrainte à chaud par la superposition de distributions de contraintes monotoniques appropriées. Le modèle de Ritchie, Knott et Rice pour la rupture par clivage et le critère de rupture qui est associé. Ont été utilisés en conjonction avec la distribution des contraintes à l'extrémité de la fissure en vue de prédire la charge finale de rupture après pré-contrainte à chaud. Les prédictions ainsi faites sont en bon agrément avec les observations expérimentales.

     

A study of failure in the post yield regime using single edge-notched tension specimens

Three post yield analyses have been performed on fracture data obtained from single edge-notched tension specimens of widths 25, 15 and 8 mm and constant thickness 25 mm made of a 1% Cr MoV high temperature bolting steel. The three methods were: the compliance technique, and two curve fitting procedures which utilize solutions to the Bilby, Cottrell and Swinden-Dugdale model and are based upon the load/gauge length displacement and the load/external crack opening displacement. All three methods gave results in good agreement with each other. The fracture toughness values determined increased with decreasing crack length, the toughness for the shortest crack length (2.5 mm) was twice that for the longest (10.5 mm). This is associated with an observed increase in ductility on the fractured surfaces which were still predominantly cleavage in appearance. This rise in toughness value occurs for crack sizes from 6 to 8 times the characteristic length {ie233-1}. In ferritic steels the results imply that post yield failure analyses which use valid toughness values for assessing the integrity of plant containing shallow cracks may underestimate critical defect sizes and fracture loads. Hence safe results will be obtained provided failure is predominantly by a cleavage mechanism. There is also the possibility that toughness values obtained from data on invalid specimens may be greater than the fracture toughness values obtained from valid tests at the same temperature.

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Résumé Trois analyses après écoulement plastique ont été accomplies sur des données de rupture obtenues sur des éprouvettes de traction à entailles simples latérales de largeur 25, 15 et 8 mm d'épaisseur constante et en acier à 1% de CrMoV pour boulons à haute température. Ces trois méthodes étaient la technique de compliance et deux procédures d'ajustement de courbe utilisant les solutions appropriées au modèle de Bilby, Cottrell et Swinden-Dugdale et basées sur les rapports charge/déplacement d'une base de mesure et charge/COD extérieur. Ces trois méthodes ont donné des résultats en bon accord l'une avec l'autre. Les valeurs de ténacité à la rupture déterminées s'acroissent lorsque décroit la longueur de la fissure, la ténacité pour la longueur de fissure la plus courte (2,5 mm) étant double de celle relative à la fissure la plus longue (10,5 mm). Ceci est associé avec un accroissement décelable de la ductilité sur les surfaces de la rupture dont l'apparence demeure néanmoins essentiellement du clivage. Cet accroissement dans la valeur de la ténacité se produit pour des dimensions de fissure de 6 à 8 fois la longueur caractéristique {ie247-1}. Dans les aciers ferritiques, ces résultats impliquent que l'analyse de la rupture après déformation plastique utilisant des valeurs de la ténacité valides en vue de vérifier l'intégrité d'un composant comportant des fissures noyées risque de sous-estimer les dimensions critiques de défauts et les charges à la rupture. Dès lors, des résultats sûrs seront obtenus pour autant que la rupture soit principalement due à un mécanisme de clivage. Une autre possibilité est que les valeurs de la ténacité obtenues à partir de données sur des éprouvettes suspectes soient supérieures aux valeur de la ténacité à la rupture obtenues lors d'essais valables aux mêmes températures.

     

The influence of manganese on the fracture toughness of nickel steels

The effect of manganese content on the fracture toughness of a high-purity martensitic 0.6% C, 5% Ni steel has been determined after tempering below 350°C. The intergranular mode, characteristic of the brittle fracture of material with only trace manganese content, was eliminated by the addition of between 0.1% and 0.6% of that element. However, the purposeful addition of manganese introduced slow crack growth along an intergranular path prior to fast fracture which could in turn, be eliminated by testing in a dry environment. Although this environmental sensitivity prevented the full potential toughness of the material being realised in normal atmospheres the manganese addition effectively improved the toughness, and it is suggested that this is consequential to a change in the fracture criterion.

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Résumé L'effet de la teneur en manganèse sur la ténacité à la rupture d'un acier martensitique de haute pureté à 0,6% C et 5% Ni a été déterminé après revenu à 350°C.En procédant à des additions de manganèse de 0,1% à 0,6%, on a pu éliminer le mode intergranulaire qui caractérisait la rupture fragile de l'acier ne comportant que des traces de cet élément.Toutefois, ces additions intentionnelles de manganèse provoquent une tendance à la croissance lente de fissures le long d'un parcours intergranulaire, suivie d'une rupture brutale, qui peut, à son tour, être éliminée en travaillant dans une atmosphère sèche.En dépit du fait que la sensibilité à l'environnement pénalise la ténacité potentielle du matériau en atmosphère normale, des additions de manganèse améliorent effectivement la ténacité, et l'on suggère que ceci est dû à une modification du critère de rupture.

     

On the measurement of dynamic fracture toughnesses — a review of recent work

The influence of dynamic effects on test procedures for measuring the crack arrest toughness and the impact fracture toughness is analyzed. It is shown that these dynamic effects can be significant: For cracks at arrest the stress condition is still dynamic and not static although the crack velocity has become zero. Dynamic effects become small only for small crack velocities or small crack jumps or for specially designed specimens. It is shown that the stress intensity factor history for cracks under impact loading cannot be adequately derived from instrumented impact data via static evaluation procedures. Only for large times to failure, resulting for small impact velocities and/or ductile material behavior do static approaches represent acceptable approximations. Reliable crack arrest and impact fracture toughness data can only be obtained by evaluation procedures which take the dynamic effects into account, e.g. by utilizing the reduced dynamic effects crack arrest test specimen or by applying the concept of impact response curves.

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Résumé On a analysé l'influence des effets dynamiques sur les procédures d'essais pour mesurer la ténacité à l'arrêt d'une fissure et la ténacité à la rupture par impact. On montre que ces effets dynamiques peuvent être significatifs: pour des fissures qui s'arrêtent, les conditions d'essais sont toujours dynamiques et non statiques, bien que la vitesse de la fissure soit devenue égale à 0. Les effets dynamiques deviennent petits seulement pour de faibles vitesses de la fissure ou pour de petits resauts de la fissure ou encore dans le cas d'éprouvettes spécialement conçues. On montre que l'histoire du facteur d'intensité de contrainte pour des fissures soumises à une charge d'impact ne peut être convenablement déduite de données d'impact instrumenté évaluée selon une procédure statique. Ce n'est que pour de longues périodes de temps avant rupture, qui résultent de faible vitesse d'impact et/ou d'un comportement ductile du matériau que les approches statiques conduisent à des approximations satisfaisantes. Les données fiables de ténacité à l'arrêt d'une rupture ou à la rupture par choc ne peuvent être obtenues que par des procédures d'évaluation qui prennent en compte les effets dynamiques, par exemple en utilisant une éprouvette d'essai d'arrêt de rupture à effets dynamiques réduits ou en appliquant le concept des courbes réponses à l'impact.

     

A method of extracting dynamic fracture toughness from CT tests

Recent research on methods of determining the dynamic fracture resistance for rapidly propagating cracks has progressed to the point where standardized testing procedures are being proposed. Because direct measurements of dynamic fracture resistances cannot be made, the resistances must be inferred from other measurement. In the present paper, an analysis which is fundamental to a method whereby the dynamic fracture toughness as a function of crack speed can be inferred from measurements of the specimen's end displacement at initiation of crack growth and of the total crack extension is described. All of the reference curves required for making the inference are developed for a standardized CT specimen. The procedure for using these curves to establish the dynamic fracture toughness-crack speed relationship and the minimum fracture toughness is given.

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Résumé Les recherches récentes sur les méthodes de détermination de la résistance à la rupture dynamique en présence de fissuration en cours de propagation rapide ont progressé à ce point que des procédures d'essai standards sont à présent proposées. Comme des mesures directes des résistances à la rupture dynamique ne peuvent être effectuées, les résistances doivent être déduites d'autres mesures. Dans le mémoire, on décrit une analyse qui constitue la base d'une méthode par laquelle la ténacité à la rupture dynamique en fonction de la vitesse de fissuration peut être déduite de mesures de déplacement de l'extrémité de l'échantillon lors de l'amorçage de la propagation de la fissure, et de mesures de l'extension totale de la fissure. Les courbes de référence requises pour établir cette déduction sont développées dans le cas d'éprouvettes standards CT. La procédure d'utilisation de ces courbes pour établir les relations qui lient la ténacité à la rupture dynamique et la vitesse de propagation de la fissure ainsi que la ténacité minimum à la rupture sont fournies.

     

Model for fracture toughness alteration due to cyclic loading

A new model that is capable of predicting and explaining the effect of cyclic loading on the apparent fracture toughness of materials was developed. The model combines macroscopic fracture criteria with the assumption that transient flow properties of material in the cyclic plastic zone can be simulated by those of macroscopic low cycle fatigue specimens, tested in reversed strain control. Little or no changes in the cleavage fracture toughness due to cyclic loading is predicted or observed for materials that cycle strain harden (e.g., rail steel) and in the fracture toughness of other materials that cycle strain harden (e.g., the commercial 2000 series Al-Cu alloys) and fracture by rupture. However, an increase in the fracture toughness is predicted and observed for materials that cycle strain soften (e.g., 1Cr-Mo-V and 18 Ni 300 maraging steels), irrespective of fracture mode (cleavage or rupture). The changes in the fracture toughness are predicted and observed to increase with both the number of cycles of applied load and the reversed plastic strain range (or stress intensity range for precracked specimens).

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Résumé On a développé un modèle à même de prédire et d'expliquer l'effet de mise en charge cyclique sur la ténacité apparente des matériaux. Ce modèle combine les critères de rupture macroscopique avec l'hypothèse que les propriétés d'écoulement transitoire d'un matériau dans une zone où se produit une déformation plastique cyclique peut être simulée par les propriétés d'éprouvettes de fatique olygocyclique macroscopique essayées en déformation alternée. On ne prédit ni n'observe que peu ou pas de changement de la ténacité à la rupture, par clivage dû à une sollicitation cyclique dans le cas de matériaux qui font état d'un écrouissage cyclique, par exemple les aciers à rail. Il en est de même en ce qui regarde la ténacité à la rupture pour les autres matériaux qui durcissent par écrouissage cyclique, par exemple la série commerciale 2000 des alliages AlCu et qui se rompent de manière ductile. Toutefois, on prédit et on observe un relèvement de la ténacité à la rupture dans le cas de matériaux qui s'adoucissent sous l'effet de déformations cycliques, par exemple les aciers 1 CrMoV et les aciers maraging 18Ni300, quel que soit le mode de rupture, c'est-à-dire par clivage ou par rupture ductile. On peut prédire et l'on observe effectivement un accroissement de la ténacité à la rupture avec le nombre de cycles de la charge appliquée et avec l'étendue de la déformation plastique alternée (ou l'étendue de l'intensité de contrainte dans le cas des échantillons préfissurés).

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(The authors wish to dedicate this paper in memory of the late Professor Alan S. Tetelman.)     

An investigation into the effect of thickness on the fracture behaviour of compact tension specimens

An experimental investigation into the fracture behaviour of 1 Cr Mo V compact tension specimens is described. The plane strain fracture toughness of 64.2 MN/m^3/2 is compared with the fracture toughness determined from compact tension specimens of thickness 50 mm, 25 mm, 13 mm, 6 mm, and 3 mm.With the 13 mm and 6 mm thickness compact tension specimens pop-in steps occurred in the load-displacement records associated with the formation of thumbnail shaped cracks. Following the pop-in steps much higher maximum loads were attained prior to complete fast fracture.A three-dimensional elastic finite element analysis of an observed thumbnail shaped crack indicated that the stress intensity factor was less than that of the initial straight crack. Using this result it is shown that the fracture toughness at the maximum load was in agreement with the fracture toughness at the pop-in step of the load-displacement test record and the plane strain fracture toughness.

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Résumé Une méthode expérimentale est décrite pour étudier le comportement à la rupture de l'acier à 1 Cr Mo V à l'aide d'éprouvettes de tension compacte. La ténacité à la rupture en condition d'état plan de déformation de 64,2 MN/m^3/2 a été comparée avec la ténacité à la rupture déterminée à l'aide d'éprouvettes de tension compacte ayant des épaisseurs de 50 mm, 25 mm, 13 mm, 6 mm et 3 mm. Avec les éprouvettes de tension compacte d'épaisseur 13 mm et 6 mm, on observe des pop-ins dans les enregistrements de charge-déplacement, lesquels sont associés à la formation de fissures en coup d'ongle. Après l'apparition des pop-ins, des charges maximum beaucoup plus élevées ont été atteintes avant l'apparition de la rupture instable. Une analyse par élément fini élastique à trois dimensions d'une fissure en forme d'onglet indique que le facteur d'intensité de contrainte était plus faible que celui de la fissure droite initiale. En utilisant ce résultat, on montre que la ténacité à la rupture à la charge maximum était en agrément avec la ténacité à la rupture correspondant au moment du pop-in dans l'enregistrement charge-déplacement et avec la ténacité à la rupture correspondant à l'état plan de déformation.

     

Dynamic fracture toughness

Dynamic fracture toughness versus crack velocity relations of Homalite-100, polycarbonate, hardened 4340 steel and reaction bonded silicon nitride are reviewed and discrepancies with published data and their probable causes are discussed. Data scatter in published data are attributed in part to the observed fluctuations in crack velocities. The results reaffirmed our previous conclusion that the dynamic fracture toughness versus crack velocity relation is specimen dependent and that the dynamic crack arrest stress intensity factor is not a unique material property.

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Résumé On passe en revue les relations entre la ténacité à la rupture dynamique et la vitesse de propagation d'une fissure, dans le cas de l'Homalite-100, du polycarbonate, de l'acier 4340 durci, et de nitrure de silicium assemblé par liaisons chimiques. On relève les divergences par rapport aux données publiées, et leurs causes probables. On attribue la dispersion des données en partie aux fluctuations observées dans les vitesses de la fissure.Les résultats confirment les conclusions précédemment exprimées, selon lesquelles d'une part la relation qui lie la ténacité à la rupture dynamique à la vitesse de la fissure dépend de l'éprouvette, et d'autre part le facteur dynamique d'intensité de contraintes correspondant à l'arrêt d'une rupture n'est pas une propriété univoque du matériau.

     

Generalized fracture toughness of brittle materials

A generalization of the concept of fracture toughness of brittle materials, when subjected to multiaxial loadings, is presented. The theory characterizes the fracture strength of materials under any combination of the three basic modes of crack surfaces displacement.With reference to three-dimensional loading systems, the fracture toughness may be represented, in theK ₁ K ₂ K ₃ Cartesian orthogonal space, by a surface Fracture Envelope characteristic for a specified material, whose equation is determined by the (symmetric) fracture toughnessK _1c and Poisson's ratio .It is shown that the most general fracture process, resulting from the combination of the opening mode of the tangential stress component and the tearing mode of the antiplane shear, may be conveniently analyzed with the aid of the generalized fracture toughness concept. From the knowledge of the Fracture Envelope relative to a structural material, a simple fracture criterion permits forecasting crack propagation for any combination of loads and geometries.The theory is applied to mixed-mode problems to define the analytic threshold of fatigue crack growth.

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Résumé On présente une généralisation du concept de ténacité à la rupture de matériaux fragiles soumis à des contraintes multiaxiales. La théorie proposée caractérise la résistance à la rupture des matériaux sous toutes les combinaisons possibles des trois modes de base des déplacements des surfaces d'une fissure. Par rapport à un système de mise en charge à deux dimensions, la ténacité à la rupture peut être représentée dans un espace orthogonal cartésienK ₁ K ₂ K ₃ par une Enveloppe de Rupture caractéristique d'un matériau donné dont l'équation est déterminée par la ténacité à la rupture symétriqueK _c et le module de Poisson .On montre que le processus de rupture le plus général qui résulte de la combinaison d'une ouverture sous l'effet de la composante tangentielle de la contrainte et d'un arrachement sous l'effet du cisaillement antiplanaire peut être analysé d'une manière satisfaisanteà l'aide du concept de ténacité à la rupture généralisée. A partir de la connaissance de l'Enveloppe de Rupture relative à un matériau de construction déterminé, un critère simple de rupture permet de prévoir la propagation d'une fissure pour toutes combinaisons de contraintes et de géométries.La théorie est appliquée à des problèmes de fissure suivant des modes mixtes en vue de définir de manière analytique le seuil de propagation d'une fissure de fatigue.

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Operated for the U.S. Department of Energy, Contract No. DE-AC12-76N00052.     

Some observations on the assessment of short,sharp cracks at the roots of blunt notches,and their effect on brittle fracture

The paper is concerned with effects of short, sharp quench cracks at the roots of blunt notches on cleavage fracture in a coarse-grained martensitic microstructure. At test temperatures between –196 and –140°C, such cracks control cleavage fracture. The values of local stress intensities calculated by loading such short cracks with the stress field ahead of the blunt notch are closely similar to the values of K _IC measured in long-crack fracture toughness tests. At the test temperature of –100°C, such sharp cracks are blunted out (by ductile crack growth) and appear to play no part in the subsequent failure mechanism, which is now better characterised by values of the local cleavage fracture stress _F ^* , below the notch. At the test temperature of –120°C, a transition region is seen with a large observed scatter in faulure load.In a fine-grained martensitic microstructure tested in the ST-L orientation brittle plates of manganese sulphide inclusions have been shown to promote cleavage fracture at –196°C.

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Résumé Le mémoire est relatif aux effets de fissures de trempe courtes et aiguës dans le found d'entailles arrondies sur la rupture par clivage dans une microstructure martensitique à gross grains. Aux températures d'essai de –196°C et de –140°C, de telles fissures déterminent la rupture par clivage. Les valeurs de concentration locale de la contrainte, calculées en sollicitant ces fissures avec un champ de tension appliqué sur l'entaille arrondie, sont très similaires aux valeurs de K _IC mesurées lors d'essais de ténacité à la rupture sur des fissures longues. A une température de –100°C, les fissures aiguës s'émoussent lors de leur croissance ductile, et n'apparaissent pas jouer un rôle dans le mécanisme de rupture ultérieure, lequel est à présent mieux caractérisé par les valeurs de la tension locale de rupture par clivage _F ^* , au droit de l'entaille.A la température de –120°C, apparaît une zone de transition, avec une grande dispersion de la charge de rupture.Dans une microstructure martensitique à grains fins soumise à essai dans le sens ST-L, des plaquettes fragiles d'inclusion de Sulphure de Manganèse favorisent une rupture par clivage à –196°C.

     

Application of the principles of linear fracture mechanics to the composite materials

Application of the principles of linear fracture mechanics to the orthotropic composite materials is examined. It is shown that fracture toughness of unidirectional composites is independent of crack length but dependent on crack-fiber orientation. For experimental verification of the above principles, uni-directional glass epoxy material (Scotchply 1002) was used. The fracture toughness of Scotchply 1002 for different crack-fiber orientations is obtained by utilizing Solid Sap finite element program and compact tension specimens. An empirical formula relating the fracture toughness of the material for different crack-fiber orientation is found.

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Résumé On examine l'application du principe de la mécanique linéaire de rupture aux matériaux composites orthotropes. On montre que la ténacité à la rupture de composites unidirectionnels est indépendante de la longueur de la fissure mais dépend de l'orientation des fibres par rapport à cette fissure. Pour vérifier de manière expérimentale les principes ci-dessus, on a utilisé un matériau en verre epoxy unidirectionnel (Scotchply 1002). La ténacité à la rupture du Scotchply 1002 pour différentes orientations fibre/fissure a été obtenue en utilisant un programme à élément fini Solid Sap et des éprouvettes de traction compactes. On a trouvé une formule empirique mettant en relation la ténacité à la rupture du matériau pour différentes orientations fibre/fissure.

     

Statistical analysis of the effect of side-grooving on the measurement of brittle fracture toughness

Fracture mechanics specimens are commonly side-grooved to promote uniformity of the crack tip stress field, but this practice may affect the fracture toughness measured because of changes in the net thickness and in the constraint. This study, based on Weibull statistics, shows that, for brittle fracture, the difference between the fracture toughness measured with plain-sided and 20 percent side-grooved specimens results essentially from the difference in net thicknesses. It is also shown that the effect of constraint should not be evaluated from the load arrying capacity of the specimen, but rather from the distribution of stress intensity factor along the crack front.

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Résumé Il est courant de nantir d'une entaille de bord les éprouvettes de mécanique de rupture pour provoquer un champ de contraintes uniforme à l'extrémité de la fissure. Cette pratique peut néanmoins affecter la ténacité à la rupture en raison des modifications dans l'épaisseur nette et dans le bridage.La présente étude, que est basée sur l'approache probabilistique de Weibull, montre que dans une rupture fragile la différence entre les ténacités à la rupture mesurées avec des éprouvetes sans entailles et avec un entaillage à 20% résulte essentiellement de la différence qui caractérise les épaisseurs nettes:On montre également que l'effet du bridage ne peut être déduit de la capacité qu'a l'éprouvette de supporter la charge, mais bien plutôt de la distribution du facteur d'intensité des contraintes le long du front de la fissure.

     

The micro-statistical fracture mechanics approach to dynamic fracture problems

Continuum fracture mechanics concepts should be applied to solve dynamic fracture problems wherever a continuum approach can provide sufficient answers. Many dynamic fracture problems, however, involve multiple cracks or voids and are not well-suited to the relatively simple continuum approach. This paper describes a statistical fracture mechanics concept on a microscopi scale and illustrates its use for the case of shock-wave-induced ductile spall fracture. The paper further shows how micro-statistical fracture mechanics (MSFM) merges with continuum fracture mechanics by treating a macrocrack propagating in a DCB specimen using MSFM and the MSFM parameters deduced from the spall work.Thus, the two approaches are consistent. Although significantly more complicated, the MSFM approach promises to be helpful in improving our understanding of the influences of microstructure on toughness and in extending continuum approaches to more ductile materials and to smaller specimens.

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Résumé Les concepts de fracture mécanique d'un continuum devraient être appliqués à la solution des problèmes de fracture de rupture dynamique dès lors qu'une approche par continuum peut fournir des réponses suffisantes. Cependant, plusieurs problèmes de rupture dynamique comportent des fissures ou des cavités multiples et ne sont pas bien adaptés à une approche par continuum relativement simple. Le mémoire décrit un concept de mécanique de la rupture statistique à une échelle microscopique et illustre son utilisation au cas d'une rupture par décollement ductile sous l'effet d'une onde de choc. On montre en outre qu'une mécanique de rupture micro-statistique peut être envisagée dans le mécanisme de rupture d'un continuum en traitant la propagation d'une macro-fissure dans une éprouvette Cantilever et en utilisant ce concept et les paramètres qui y sont liés, déduits du travail relatif à l'écaillage.Ainsi, les deux approches se révèlent applicables. Bien que considérablement compliquées, l'approche de mécanique de rupture micro-statistique se révèle prometteuse pour améliorer notre compréhension des influences de la microstructure sur la ténacité et pour une extension de l'approche du continuum de milieu continu à des matériaux plus ductiles ou à des éprouvettes plus petites.

     

Fracture mechanics approach to evaluation of strength in sintered silicon nitride

The evaluation of strength of ceramics is an important problem in their application to engineering components. Although fracture initiating from inherent flaws in ceramics is supposed to be analyzed through linear elastic fracture mechanics, the applicability of a plane-strain fracture toughness criterion is in dispute.In this investigation, fracture tests for two grades of sintered silicon nitride were conducted under plane-bending and ring-compression. As the size of inherent flaw observed at the fracture origin was larger, the critical stress intensity factor for the flaw increased and then almost coincided with the fracture toughness. This suggests that ordinary fracture mechanics data should not always be applied directly for predicting the strength of engineering ceramic components. The flaw-size effect was discussed from the point of the applicability of fracture mechanics and the relation with material microstructure.

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Résumé L'évaluation de la résistance des céramiques est un problème important pour leur application à des composants mécaniques. Bien que l'amorçage d'une fissure dans une céramique au départ de défauts inhérents soit normalement analysable par la mécanique de rupture linéaire et élastique, on n'est pas d'accord sur la pertinence d'un critère de ténacité à la rupture en état plan de déformation.Dans cette recherche, des essais de rupture de deux nuances de nitrure de silicium frittées ont été exécutés en flexion plane et en compression d'anneaux. On a observé que lorsque augmente la taille d'un défaut initial repérable comme origine de la rupture, le facteur critique d'intensité de contrainte pour le défaut considéré augmente et coïncide presque avec la ténacité à la rupture. Ceci suggère que les données habituelles de la mécanique de la rupture ne peuvent pas être toujours appliquées directement pour prédire la résistance de composants mécaniques en céramique.L'effet de la taille du défaut est discuté des points de vue de l'application possible de la mécanique de rupture et de la relation avec la microstructure du matériau.

     

Compact shear specimen for wood mode II fracture investigations

A mode II fracture specimen has been developed from experimental and numerical investigation for applications with wood. Development centered on the compact shear specimen and addressed the extreme orthotropy of both the elastic and strength properties of wood. Mode II fracture toughness was assessed from test data gathered for southern pine and Douglas-fir specimens combined with use of quarter-point singular finite elements. Evidence is provided that this specimen is suitable for investigators to employ in fracture studies with highly orthotropic materials.

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Résumé On a développé une éprouvette d'essai de rupture en mode II à partir de recherches expérimentales et numériques en vue d'être appliquées au bois. On a focalisé le développement sur une éprouvette compacte de cisaillement, conçue de manière à mettre en valeur l'orthotropie extrême des propriétés élastiques et de la résistance du bois. On a établi la ténacité à la rupture sous mode II à partir de données d'essais sur des échantillons de pin méridional et de pin Douglas, combinées à une analyse par éléments finis à singularité quart-points. On montre à évidence que ce type d'éprouvette convient à des recherches sur la rupture de matériaux à orthotropie particulièrement élevée.

     

Brittle-to-ductile transition in steels and the critical transition temperature

Specimens of different thickness made of a low-alloy steel were tested to determine fracture toughness under static and impact loading at room and low temperatures. It was found that for the specimen of each thickness there was a specific brittle-to-ductile transition temperature T_psdefined as the upper temperature boundary up to which plane-strain conditions were valid at fracture. The temperature T_ps, as well as the brittleness transition temperature T ₅₀ (determined via the 50% ductile component of the fracture surface), rose with the increase in the thickness B of a specimen. The value of T_pswas found to be in a linear dependence on lgB for both static and impact loading.

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Résumé On a procédé à l'essai d'éprouvettes de différentes épaisseurs réalisées en acier faiblement allié en vue de déterminer la ténacité à la rupture sous charge statique et d'impact à température ambiante et à basse température. On a trouvé que pour les éprouvettes correspondantes à chaque épaisseur, il existait une température de transition spécifique ductile-fragile T_ps, définie comme la limite supérieure de température sous laquelle les conditions d'état plan de déformation sont atteintes à la rupture. La température T_psainsi que la température de transition de fragilité T₅₀, correspondant à une surface de rupture présentant 50% de ductilité, se relèvent avec un accroissement de l'épaisseur B de l'éprouvette. La valeur de T_ps a été trouvée en dépendance linéaire du lgB à la fois en contrainte statique et en contrainte d'impact.

     

A review of indentation fracture theory: its development,principles and limitations

The influence of blunt and sharp indenters in producing indentation crack patterns is outlined. Attention is then focused on the initiation and propagation of cracks formed during a sharp contact event as such contacts are of the most practical interest and are commonly used to determine the fracture toughness of opaque materials. The modifying influence on the behaviour of such cracks as a result of anisotropy, particle size, environment and residual stress effects is briefly discussed. A simplistic derivation of the current formula used in determining the fracture toughness of suitable materials from a sharp contact event is then given. The criteria for valid results are also presented and these, in conjunction with other points discussed, highlight some of the limitations of this method of toughness testing.

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Résumé On souligne l'influence de l'émoussage ou de l'acuité d'un poinçon lors de la production de fissures d'indentation. On se concentre ensuite sur l'amorçage et la propagation de fissure résultant du contact avec un poinçon à angle acéré, cas le plus intéressant dans la pratique, et d'usage courant pour déterminer la ténacité à la rupture de matériaux vitreux. On discute brièvement de l'influence que l'anisotropie, la taille des particules, l'environnement et les contraintes résiduelles peuvent avoir sur le comportement de telles fissures. On donne également une dérivée simpliste de la formule couramment utilisée pour la détermination de la ténacité à la rupture des matériaux adéquats à partir d'une essai de poinçonnage. On présente également les critères pour que les résultats soient valides, et on indique comment ces critères, en association avec d'autres points évoqués par ailleurs, mettent en lumière les limites de cette méthode.