Elastic-plastic and asymptotic fields of interface cracks

In previous analyses [1, 2, 13], and full-field computational investigations, we found that the near tip plastic fields of cracks on a bimaterial interface do not have a separable form of the HRR type. Nevertheless they appear to be nearly separable in an annular region well within the plastic zone. Asymptotically, as the crack tip is approached, the material system responds like that of a plastically deforming solid bonded to a rigid substrate; in particular, the stress and strain fields in the more compliant (lower hardening) material behave like those of a material with identical plastic properties bonded to a rigid substrate. Furthermore, the asymptotic fields of the interface crack bear strong similarities to mixed mode HRR fields for the homogeneous medium characterized by the plastic properties appropriate to the more (plastically) compliant material. In this investigation, we elucidate the behaviour of the material system over two length scales which are physically relevant, namely, distances comparable to the dominant plastic zone and the crack tip opening displacement. The latter is approximately given by the plastic zone size times and the relevant yield strain. Over length scales comparable to the dominant plastic zone, the stress fields are governed by the characteristics of the weaker (lower yield strength) material. On the other hand, the near tip plastic fields are governed by the strain hardening characteristics of the more plastically compliant (lower hardening) material.

---

Résumé Dans des études précédentes, et lors de travaux de calculs, on a trouvé que les champs plastiques au voisinage de l'extrémité de fissures dans un matériau bimétallique n'ont pas une forme séparable de type HRR. Néanmoins, ils présentent une caractéristique quasi-séparables dans une zone annulaire incluse dans la zone plastique. Lorsqu'on approche de la pointe de fissure, le matériau réagit de manière asymptotique, à la manière d'un solide qui se déforme plastiquement tout en étant collé à une substrat rigide. En particulier, les champs de contraintes et de dilatations dans le matériau qui présente la compliance la plus élevée (durcissement le plus bas) se comportent comme ceux d'un matériau qui aurait de propriétés plastiques identiques et qui serait collé à un substrat rigide.De plus, les champs asymptotiques d'une fissure d'interface présentent des similitudes intéressantes avec les champs HRR de mode mixte relatifs à un milieu homogène caractérise par les propriétés plastiques adaptées au matériau le plus compliant (ou plastique).Dans cette étude, on éclaircit le comportement du système de matériaux sur deux échelles de longueurs qui ont un sens physique, à savoir des distances comparables à la taille de la zone plastique dominante d'une part, et du COD d'autre part. Ce dernier est fourni de manière approchée par la taille de la zone plastique divisée par le module d'élasticité. Sur la première échelle de longueurs, les champs de contraintes sont déterminé par les caractéristiques du matériau le plus faible (celui qui a la plus basse limite élastique). Sur la deuxiéme échelle, les champs plastiques près de l'extrémité de la fissure sont déterminés par les caractéristiques d'écrouissage du matériau qui a la compliance plastique la plus élevée, ou le durcissement le plus faible.

     

Creep crack growth in an elastic-creeping material Part II: mode I

The quasi-static growth of a crack in an elastic-creeping material under mode I loading is investigated. The creep strain rate of the material is assumed to be governed by a power law involving the stress and creep strain. The major emphasis of this investigation is on elastic-primary creep response. The asymptotic crack tip fields for a quasi-statically extending crack under conditions of plane strain and plane stress are developed. The asymptotic fields are unambiguously determined in terms of the instantaneous crack speed and material parameters and are independent of the prior crack history, specimen geometry, and loading. A plane strain finite element analysis is performed to determine the complete stress and strain fields. These fields are compared with the asymptotic ones to establish the zone of dominance of the crack tip fields. The zone of dominance can be a very small fraction of the size of the creep zone attending the crack up.

---

Résumé On étudie la croissance quasi-statique d'une fissure dans un matériau sujet à fluage élastique sous une sollicitation de Mode I. On suppose que la vitesse de déformation en fluage du matériau est régie par une loi parabolique comportant la contrainte et la déformation. L'accent est surtout mis sur la réponse au fluage élastique primaire.On établit les configurations asymptotiques règnant à l'extrémité de la fissure, dans le cas d'une fissure quasi-statique en extension sour état plan de dilatation ou sous état plan de tension. Ces champs sont déterminés sans ambiguïté par la vitesse instantanée de la fissuration et par les paramétres du matériau; ils sont indépendants de l'histoire primitive de la fissure, de la géométrie de l'éprouvette et de la sollicitation. On effectue une analyse par éléments finis en déformations planes pour déterminer complètement les champs de contrainte et de dilatation, que l'on compare aux champs asymptotiques aux fins d'établir la zone de prédominance des champs à l'extrémité de la fissure. Cette zone peut être une fraction très petite de la taille de la zone où s'effectue un fluage au voisinage de l'extrémité de la fissure.

     

Creep crack growth in an elastic-creeping material Part I: mode III

The quasi-static growth of a crack in an elastic-creeping material under antiplane shear or mode III loading is investigated. The creep response of the material is assumed to be governed by a power-law between the creep strain rate, creep strain, and stress. While this law is capable of describing elastic-primary, secondary, or tertiary creep, the major emphasis of this paper is on crack growth in the elastic-primary creep regime. The asymptotic crack-tip stress and strain fields for a quasi-statically extending crack in an elastic-primary creeping material are developed. This is followed by a finite element analysis to determine the complete stress and strain fields within the confines of small scale yielding. These fields are then compared with the asymptotic ones to establish the size of the zone of dominance of the crack-tip fields.

---

Résumé On étudie la croissance quasi-statique d'une fissure dans un matériau en phase de fluage élastique sous des cisaillements anti-planaires ou sous une sollicitation de mode III.La réponse du matériau sur fluage est supposée gouvernée par une loi parabolique qui lie la vitesse de déformation par fluage, la déformation par fluage et la contrainte. Si cette loi est à même de décrire les fluages élastiques-primaire, secondaire et tertiaire-l'accent est ici principalement placé sur la croissance d'une fissure sous un fluage élastique-primaire. On établit les champs de contrainte et de déformation asymptotiques à l'extrémité de la fissure dans le cas d'une fissure en croissance quasi-statique, dans un matériau soumis à fluage élastique primaire.On procède ensuite à une analyse par éléments finis afin de déterminer complètement les champs de contraintes et de déformation aux confins d'une zone de petite taille en déformation plastique. On compare ces champs aux champs asymptotiques, en vue d'établir la taille de la zone où les champs à l'extrémité de la fissure s'exercent de manière dominante.

     

Analysis of creep crack growth by grain boundary cavitation

Intergranular creep crack growth in metals at high temperatures is analysed by assuming that the crack advances when cavities coalesce on grain boundary facets approximately normal to the maximum principal tensile stress. The analyses are based on a material model that describes the nucleation and growth of grain boundary cavities, accounting for diffusive growth as well as growth by dislocation creep of the surrouding grains, and also incorporating the effect of grain boundary sliding. Plane strain center cracked panels are analysed by a numerical method that fully accounts for the development of damage in every point of the specimen, and the solutions are compared with crack growth rates predicted by a simple model based on the singular stress fields around the tip of a sharp crack. The development of crack growth rates and the general crack growth patterns predicted by this material model are determined for a range of material parameters, including cases where failure occurs at small strains as well as cases where failure occurs at large strains.

---

Résumé On analyse la croissance d'une fissure de fluage intergranulaire dans les métaux à hautes températures en supposant que la fissure progresse lorsque s'effectue une coalescence de cavités sur les faces des frontières de grains, dans une direction sensiblement normale par rapport à la tension principale maximum. L'analyse est basée sur un modèle de matériau qui décrit la nucléation et la croissance des cavités aux frontières des grains. tenant compte à la fois d'une croissance diffusive et d'une croissance associée au fluage des grains voisins, et incorporant les effets de glissement des frontières de grain. On analyse des panneaux à fissure centrale en état plan de déformation à l'aide d'une méthode numérique qui tient compte au développement de l'endommagement en chaque point de l'éprouvette. On compare les solutions avec les vitesses de propagation de fissure dérivées d'un modèle simple basé sur les champs de contraintes singulières règnant autour de l'extrémité d'une fissure aiguë. Le développement des vitesses de croissance d'une fissure, et l'aspect général de la propagation d'une fissure prédits par ce modèle ont été établis pour une large gamme de paramètres de matériau, et en considérant aussi bien les cas où se produit une rupture sous de faibles déformations, que les cas où de grandes déformations sont requises.

     

Some basic issues in dynamic crack growth in elastic-plastic solids

Differential equations for the asymptotic solution of the near-tip fields in the problem of steady rectilinear crack growth in elastic-plastic solids, are examined in a systematic manner. Two classes of elastoplastic materials are considered and the corresponding solutions are obtained and compared. The first class is the usual J ₂ -plasticity, with a smooth yield surface and plastic strain rate normal to the yield surface and, hence, coaxial with the stress deviator. For the second class of materials we still use the J ₂ or the Mises yield surface, but allow for deviation from normality, in order to model the vertex structure of the yield surface common in ductile crystalline solids. It is shown that the basic differential equations which govern the near-tip strain and stress fields are essentially the same whether or not plastic normality is imposed. This fact is discussed and its consequences are examined in some detail. It is shown that the near-field solution when the normality rule is imposed at the outset, is an isolated solution which cannot be obtained as a limiting case of the solutions with the yield surface tangential component of the plastic strain rate tending to zero. These latter solutions involve logarithmically singular strain fields and stress (but not strain) jump discontinuities, whereas the isolated solution does not have any singularities or discontinuities.Another issue considered in this work is the influence of the mode I loading on the mode II solution. While pure mode I and pure mode II problems admit clear-cut and distinct solutions, the presence of a small mode I component strongly dominates the asymptotic stress and strain fields and the corresponding solution at the crack tip.

---

Résumé On examine de manière systématique diverses équations pour une solution asymptotique du champ près de l'extrémité d'une fissure, dans le cadre du problème de la croissance stable d'une fissure rectiligne dans des corps élasto-plastiques. On considère deux classes de matériaux élastoplastiques et on compare les solutions respectivement obtenues. La première classe correspond à une plasticité classique rendue par J ₂, avec une surface de glissements plastiques lisse, et un vecteur de vitesse de déformation plastique normal à la surface de glissement, et donc coaxial par rapport à la sollicitation. Pour la deuxième classe de matériaux, on utilise encore J ₂ ou une surface de glissements de Mises, mais on permet des déviations par rapport à la normale, de manière à représenter la strueture en vertex de la surface de glissements, qui est commune dans les solides cristallins ductiles. On montre que les équations différentielles de base qui régissent la déformation près de l'extrémité de la fissure et les champs de contraintes sont essentiellement les mêmes, qu'il y ait ou non imposition d'une normalité plastique. Cette constatation est discutée et ses conséquences sont examinées dans le détail. On montre que, lorsque la règle de normalité est de rigueur dès le départ, la solution du champ proche est une solution isolée qui ne peut se présenter comme le cas limite des solutions où la composante tangentielle à la surface des glissements du vecteur de vitesse de déformation plastique tendrait vers zéro. Ces dernières solutions comportent, en effet, des champs de déformations à singularité logarithmique, et des discontinuités en ressaut de la contrainte (et non de la déformation), tandis que la solution isolée ne présente ni singularités, ni discontinuités.Une autre question abordée dans cette étude est l'influence d'une sollicitation de mode I sur une solution propre au mode II. Si des problèmes qui relèvent purement d'un mode I ou d'un mode II admettent des solutions distinctes, la présence d'une légère composante de mode I peut influencer largement les champs asymptotiques de contraintes et de déformation, ainsi que les solutions correspondantes à l'extrémité de la fissure.

     

The statistics of fracture at sharp notches

Singularities of stress exist ideally at the tip of a sharp notch in linearly elastic material under stress, the strength of the singularities varying with the angle included in the notch. At least for the special case of cracks, singularity-dominated fields of stress and strain persist even for non-linear elastic-plastic material. Such singular and singularity-dominated fields behave self-similarly with load and a new statistical theory of fracture and the corresponding two-parameter distribution function are appropriate for failure at such stress concentrations as hown already for the special case of cracks. The present paper shows that the new theory and function are appropriate also for the case of sharp notches and demonstrates their application to this case. The theory is only dependent on the self-similar behaviour of the fields of stress and strain, and is therefore suitable for every material and each mechanism of failure.

---

Résumé I1 existe en théorie des singularités de contraintes à l'extrémité d'une entaille aiguë dans un matériau linéaire élastique sous tension; leur intensité varie avec l'angle caractérisant l'entaille. Les champs de contraintes et de dilatation comportant des singularités se trouvent toujours présents meme dans des matériaux non linéaires elasto-plastiques, du moins dans les cas particuliers de fissures. Ces champs singuliers ou déterminés par des singularités se comportent de manière similaire en fonction de la charge; une nouvelle théorie statistique de la rupture et la fonction de distribution à deux paramètres coprrespondante, conviennent pour décrire la rupture sous de telles concentrations de contraintes, ainsi qu'on l'a déjà démontré dans le cas particulier des fissures. L'étude montre que la nouvelle thérie et la fonction de distribution associée conviennent également pour des entailles aiguës, et démontre comment on peut les appliquer pour ces cas. La théorie ne dépend que du comportement des champs de contraintes et de dilatation, et est dès lors applicable à tout matériau et à tout mécanisme de rupture.

     

Unstable fracture criterion in a power-law hardening material

A fracture criterion for a pre-cracked plate subjected to large deformation is presented in a power-law hardening material based on the energy conservation law. First Hencky equations are applied to a non-linear elastic model in a small strain to derive the criterion and the theory is extended to a large strain case with the aid of numerical analysis. The criterion is expressed as a relation between a crack length and a remote fracture strain, and it is identical with Griffith's criterion when the power exponent is unity.Large strain and stress fields near a crack tip are also assessed. Experiments with pre-cracked steel plates well verify the theory, that is, the criterion based on elastic analysis appears to apply to an actual plastic material. The transition from the brittle fracture to the present unstable ductile fracture and a physical implication of the reduction of area in tension test are discussed.

---

Résumé On présente un critère de rupture pour une tôle préfissurée soumise à une grande déformation dans une matériau durcissant suivant une loi parabolique et en se basant sur une loi de propagation de l'énergie. Les premières équations de Hencky sont appliquées à un modèle élastique non linéaire pour des déformations de faible amplitude en vue de dériver un critère, et la théorie est étendue au cas des grandes déformations à l'aide d'analyse numérique. Le critère est exprimé comme une relation entre la longueur de la fissure et une déformation à la rupture lointaine, et il est identique au critère de Griffith lorsque l'exposant de la loi de durcissement du matériau est l'unité.Les déformations en amplitude et les champs de contrainte au voisinage de l'extrémité de la fissure sont également prises en considération. Des expériences réalisées avec des tôles d'acier préfissurées vérifient la théorie de manière satisfaisante, c'est-à-dire que le critère basé sur l'analyse élastique apparait applicable à un matériau se comportant de façon plastique. La transition de la rupture fragile à une rupture ductile instable et les implications physiques de la striction lors de l'essai de traction sont discutées.

     

Conditions for shear localization in the ductile fracture of void-containing materials

This paper investigates the possibility that ductile fracture occurs by the McClintock-Berg mechanism of localization of deformation within a narrow shear band, owing to the progressive softening of the material by increasing porosity due to void growth. The ductility predicted for a macroscopically homogeneous sample of a voided material is shown to be unrealistically large and hence an initial inhomogeneity of properties is considered, in the sense of an analysis by Marciniak and Kuczynski in the related problem of local necking in sheet metals. General conditions for a localization bifurcation with an initial inhomogeneity (imperfection), concentrating deformation to allow localization within it, are derived. The initial imperfection is taken in the form of a void-containing, thin slice of a material and is assumed to have a void volume fraction slightly larger than the outside of the imperfection. Elastic-plastic constitutive rate relations for void-containing materials proposed by Gurson are adopted to the conditions for the localization bifurcation. The critical conditions are analyzed numerically to discuss the sensitivity of localization conditions to an initial imperfection, in consideration of the implications for the theory of ductile fracture. The results suggest that the existence of an initial imperfection makes it possible for localization to occur at a reasonable strain, and the predictions from this analysis seem broadly consistent with reported experimental observations.

---

Résumé Le mémoire étudie la possibilité que les ruptures ductiles se produisent par un mécanisme de Mc Clintock-Berg afférant à la localisation d'une déformation dans une bande de cisaillement étroite et ce en raison d'un adoucissement progressif du matériau par un accroissement de la densité de porosité associée à la croissance de lacunes. On montre que la ductilité prévue pour une éprouvette macroscopiquement homogène d'un matériau comportant des lacunes est irréellement grande et que dès lors, il y a lieu de considérer une inhomogénéité des propriétés dans le sens d'une analyse par Marciniak et Kuczynski effectuée dans le problème connexe du rétrécissement local des tôles minces. Les conditions générales pour une bifurcation de cette localisation en fonction d'une inhomogénéité initiale (imperfection) ainsi que pour une déformation concentrée qui permette une telle localisation dans cette inhomogénéité, sont déduites de cette analyse. L'imperfection initale est considérée sous la forme d'une mince couche de matériau comportant des lacunes, et est supposée présenter une fraction d'un volume lacunaire légèrement plus grande qu'en déhors de l'imperfection. Pour les conditions de la bifurcation de la localisation, on adopte les relations constitutives élastoplastiques proposées par Gurson dans le cas de matériaux comportant des lacunes. Les conditions critiques sont analysées par voie numérique afin de discuter la sensibilité aux conditions de localisation pour une imperfection initiale, considérant les implications que cela peut avoir pour la théorie de la rupture ductile. Les résultats suggèrent que l'existence d'une imperfection initiale rend possible une localisation sous une déformation raisonnable et les prédictions pour cette analyse paraissent largement consistantes avec les observations expérimentales publiées.

     

Numerical solutions for stresses near crack tips in time-dependent inelastic fracture mechanics

The boundary element method is used in this paper to calculate the stresses in a finite planar body with a traction free crack present in it. The body is assumed to undergo time-dependent inelastic deformation and is described by an elastic-power law creep constitutive model. A stationary crack is modelled as a very thin ellipse and numerical solutions to the complete transient problem are obtained by step-wise integration in time. The numerical results for stresses near a crack tip are compared with the asymptotic analytical results obtained by other researchers. These asymptotic results are those for a plate with a line crack where the elastic strain rates are neglected relative to the nonelastic strain rates near the crack tips. Both Mode III and Mode I deformation, under time-independent and time-dependent remote loading, are considered in the calculations.

---

Résumé Dans ce mémoire, on utilise la méthode des éléments aux limites pour calculer les contraintes dans un corps planaire fini au sein duquel est présente une fissure libre de contrainte de traction. On suppose que le corps est soumis à des déformations inélastiques dépendant du temps et qu'il est décrit par un modèle constitutif de fluage comportant une portion élastique et une portion parabolique. Une fissure stationaire est représentée par une ellipse très mince et les solutions numériques au problème complet des transitoires sont obtenues par une intégration par paliers dans le temps. Les résultats numériques pour les contraintes au voisinage de l'extrémité de la fissure sont comparés avec les résultats analytiques asymptotiques obtenus par d'autres chercheurs. Ces résultats asymptotiques correspondent à une plaque comportant une fissure linéique, pour laquelle on néglige les vitesses de déformation élastique par rapport aux vitesses de déformation non elastique au voisinage des extrémités de la fissure. On considère dans les calculs à la fois la déformation de mode I et de mode III sous des conditions de mise en charge extérieures dépendant ou ne dépendant pas du temps.

     

Fracture of nonhomogeneous materials

The nonhomogeneous materials considered in this work are of a class whose elastic moduli are specified by continuous and generally differentiable functions of the spatial coordinates. The elastic stress and displacement fields near a crack tip in a two-dimensional nonhomogeneous cracked body are derived utilizing an extension of the Wiliams eigenfunction expansion technique. The nature of the stress and strain singularity is ascertained to be precisely of the same form as the well-known inverse square root stress singularity near a crack tip in a homogeneous material, independent of the functional form of the elastic moduli variation. A new quasipath-independent integral has been generated which proves useful for computing the energy release rate and mixed-mode stress intensity factors in nonhomogeneous cracked bodies. The integral is used in conjunction with finite element analysis for purposes of computing stress intensity factors. Numerical results are compared with certain exact solutions which are available for nonhomogeneous cracked bodies. Cracked composite bodies have traditionally been modeled and analyzed as possessing discontinuous elastic moduli, but are treated here as having rapid, but smooth variations of the material properties.

---

Résumé Les matériaux non homogène pris en considération dans ce travail entrent dans une classe dont les modules d'élasticité sont des fonctions continues, et généralement différentielles, des coordonnées spaciales. On deduit les champs de contraintes élastiques et de déplacements au voisinage de l'extrémité d'une fissure dans un corps non homogène à deux dimensions et fissuré, en recourant à une extension de la technique d'expansion d'une eigen-fonction due à Williams. On constate que la nature de la singularité de contrainte et de déformation est précisément de la même forme que la singularité bien connue, en forme de l'inverse de la racine carrée de la contrainte, au voisinage de l'extrémité d'une fissure dans un matériau homogène, indépendamment de la forme analytique de vatiation du module d'élasticité. On établit une intégrale quasi indépendante du parcours, qui se révèle utile pour calculer la vitesse de dissipation de l'énergie et les facteurs d'intensité de contrainte correspondant à des modes mixtes, dans des corps non homogènes fissurés. L'intégrale est utilisée en association avec une analyse par éléments finis, en vue de calculer les facteurs d'intensité de contraintes. Les résultats numériques sont comparés à certaines solutions exactes disponibles pour des corps non homogènes fissurés. Les corps fissurés en matériaux composites ont été traditionnellement modélisés et analysés comme s'il présentaient des modules d'élasticité discontinus. Ils sont traités ici comme des corps présentant des variations rapides mais continues des propriétés de matériaux qui les constituent.

     

A finite element investigation of stable crack growth in anti-plane shear

Although the anti-plane strain case is of minor practical value in engineering applications, such an idealization facilitates mathematical investigations of strain and displacement fields accompanying extending cracks. This paper presents finite element solutions to anti-plane strain crack propagation problems and contrasts the numerical results with available analytic solutions in an effort to assess the accuracy of the numerical procedures. The nature of dominant strain singularities for stationary and moving cracks, the question of stableversus unstable or catastrophic crack growth and the implications of various proposed fracture criteria are discussed.

---

Résumé Bien que le case des dilatations antiplanaires soit d'une importance pratique mineure dans les applications de la construction, une telle idéalisation facilite les investigations mathématiques sur les champs de dilatation et de déplacement qui accompagnent des fissures en cours d'extension. Le mémoire présente des solutions par élément fini aux problèmes de la propagation de fissure sous des dilatations antiplanaires et fait apparaître le contraste entre les résultats numériques et les solutions analytiques disponibles, dans une tentative de faire valoir ou de constater la précision des procédures numériques. La nature des singularités déterminantes de dilatation dans le cas de fissures stationnaires et de fissures en mouvement, la question de la croissance catastrophique instable ou stable d'une fissure et les implications que les divers critères proposés de rupture contiennent sont discutées.

     

Characterization of near tip stress and deformation fields in creeping solids

Finite element solutions for near tip stress and deformation fields in elastic-power law creeping solids are used to investigate the dominance of the asymptotic crack tip fields. With geometry changes neglected, the full range from small scale to extensive creep is analyzed. A full finite deformation analysis is carried out under small scale creep conditions. Our analyses show that, in the transient regime, Hutchinson-Rice-Rosengren type singular fields dominate over a region that is about one fifth the extent of the creep zone. Finite deformation effects are found to dominate over a size scale of the order of the crack tip opening as is the case for rate independent solids. Our numerical results for the time dependence of the amplitude of near tip fields are in good agreement with the approximate relation given by Riedel and Rice [7] and Ohji, Ogura and Kubo [5].

---

Résumé Pour l'étude de la prépondérance des champs asymptotiques à l'extrémité d'une fissure, on recourt à des solutions par éléments finis relatifs aux champs de contraintes et de déformation au voisinage de cette extrémité, pour des solides soumis à fluage selon une loi élastique. En négligeant les modifications géométriques, on analyse l'entièreté de l'échelle du fluage et l'on montre que, en régime transitoire, il y a prépondérance d'un champ singulier de type Hutchinson-Rice-Rosengren sur une étendue de l'ordre du cinquième de la zone de fluage. On trouve que les effets de déformation finie sont déterminants à une échelle de dimension de l'ordre de l'ouverture de l'extrémité de la fissure, comme c'est le cas des solides dont le comportement mécanique est indépendant de la vitesse. On montre que les résultats numériques relatifs à la dépendance de l'amplitude des champs au voisinage de l'extrémité de la fissure en fonction du temps sont en bon accord avec les relations approchées obtenues par Riedel et Rice d'une part, et Ohji, Ogura et Kubo d'autre part.

     

Contour integration around crack tips for combined mixed mode load and strain controlled loading of an elastic plastic material

The repair or replacement of defective structures can be avoided if it can be shown that the defects will not grow in service. An approximate method for assessing the onset of crack growth in an elastic plastic material is available for the case when the load and strain controlled loads are in the same mode. However, there have been no previous investigations of the case when they are in different modes.Suitable parameters for characterising the onset of crack growth in an elastic plastic material are the components of contour integrals around the tips. These have been evaluated for a small crack in a work hardening elastic plastic plate under various combinations of load controlled and strain controlled uniform tensile and shear loadings. The enhancement factor over the value for a linear elastic material is most marked for load controlled shear and for strain controlled shear combined with load controlled tension. Much of this enhancement is associated with the increased plastic zone size due to the increased equivalent stress in shear. A simplified method which ignores this effect is found not to be conservative. A method for allowing the simplified procedures to take account of this effect has been presented which gives a fairly close approximation to the finite element results until yield is attained over the remaining section. For larger strains cracks may be pessimistically assessed by taking the worst case between treating all the loading as tensile and treating it all as shear, or by using multiaxial equilibrium equations and multiaxial stress strain curves for both the net and gross sections.

---

Résumé On peut éviter la réparation ou le remplacement de structures défectueuses si l'on peut démontrer que des défauts ne se prolongeront pas en service. Il existe une méthode approchée pour établir le démarrage de la croissance d'une fissure dans un matériau élasto-plastique, pour le cas où les sollicitations régies par les charges et par la déformation sont du même mode. Toutefois, il n'y a pas encore eu de recherche pour le cas où elles sont de modes différents. Pour caractériser le démarrage de la croissance d'une fissure dans un matériau élasto-plastique, les composantes des intégrales de contour qui décrivent la zone au voisinage des extrémités de la fissure sont des paramètres applicables. On a procédé à leur évaluation pour une petite fissure dans un matériau élastoplastique sujet à écrouissage, soumise à diverses combinaisons de mise en charge par traction et par cisaillement à charges contrôlées et à déformation contrôlée. Le facteur d'expansion par rapport à la valeur correspondant à un matériau linéaire élastique est surtout marqué dans le cas d'un cisaillement à charge contrôlée combiné à une traction à charge contrôlée. La majeure partie de cette expansion est associée à l'accroissement de la taille de la zone plastique, dû à l'augmentation de la tension équivalent en cisaillement. Il apparaît qu'une méthode qui néglige cet effect est peu fiable. On présente une méthode qui permet de tenir compte de cet effet dans une procédure simplifiée, ce qui donne une approximation assez précise aux résultats obtenus par éléments finis jusqu'au stade où la déformation plastique gagne toute la section restante.Dans le cas de grandes déformations, on peut établir les conditions pessimistes de fissuration en considérant le cas le plus défavorable entre traiter toutes les sollicitations comme des mises en traction ou des mises en cisaillement ou encore utiliser les équations d'équilibre multiaxial et les courbes tension-dilatation multiaxiales à la fois pour la section nette et pour la section totale.

     

Observations on high strain rate crack growth based on a strip yield model

In the past, analytical models have been developed for the study of rapid crack growth in a rate-dependent elastic-plastic material under conditions that permit crack advance in a cleavage mode, and separately for rapid crack advance in an elastic-plastic material when the crack advances by means of a local ductile mechanism. However, models suitable for study of rapid crack growth that permit mode of crack advance, with the operative mode being determined by which of two competing fracture criteria prevails, have been elusive. Here, the process of dynamic tensile crack growth in a material is studied under small scale yielding conditions with the crack tip plastic zone modeled as a strip yield zone extending ahead of the advancing crack tip. Following Glennie [1] and others, rate dependence of plastic flow is taken into account by assuming that the cohesive stress in the yield zone depends linearly on the local rate of opening of the yield zone. The conditions under which a crack can advance steadily according to either of two criteria are considered. A crack tip opening criterion is identified with a locally ductile mode, and a critical stress condition is identified with a cleavage mode. The analysis leads to conditions among the applied stress intensity factor, the crack speed and the material viscosity that are necessary for sustained crack growth in either case, with the implication that the criterion that is easiest to satisfy will establish the mode by which the crack advances.

---

Résumé On a développé, dans le passé, des modèles analytiques pour l'étude de la croissance rapide d'une fissure dans un matériau élasto-plastique sensible à la vitesse de déformation et sous des conditions qui permettent la progression d'une fissure par clivages. Séparément, des modèles ont été développés pour la croissance rapide dans un matériau élasto-plastique là où la fissure progresse du fait d'un mécanisme localement ductile. Ont cependant été négligés des modèles adaptés à l'étude de la croissance rapide d'une fissure qui concèdent les deux modes de progression de fissure, avec détermination des facteurs par lesquels l'un ou l'autre mode prévaut.On étudie ici le processus de croissance rapide d'une fissure soumise à traction, sous des conditions de plastification à petite échelle, et avec une zone plastifiée à fond d'entaille représentée par une zone de bande de glissement se déplaçant en avant de la fissure en même temps que celle-ci.Selon Glennie [1] et al., on prende en comple la sensibilité à la vitesse de déformation en supposant que la contrainte de cohésion dans la zone de plastification dépend de manière linéaire de la vitesse d'ouverture locale de cette zone. On considère les conditions sous lesquelles une fissure peut progresser de manière stable conformément à chacun des critères présentés, et on identifie un critère d'ouverture de l'extrémité de la fissure correspondant à un mode ductile locale, ainsi qu'une condition critique de sollicitation correspondant à un mode par clivages.L'analyse mène à définir les conditions qui, entre le facteur d'intensité des contraintes appliqué, la vitesse de la fissure, et la viscosité du matériau, sont nécessaires pour que la croissance d'une fissure se maintienne dans chaque cas, avec comme conséquence que c'est le critère le plus aisé à satisfaire qui déterminera le mode de progression de la fissure.

     

A rate-dependent criterion for crack growth

The Griffith instability criterion for crack propagation is generalized to provide a criterion for time-dependent crack growth. Our procedure is similar to that of Griffith in its use of a global energy balance. The Griffith method is generalized by the inclusion of the rate-of-energy dissipation term in the balance law. This rate-of-dissipation term is derived to represent the behavior of viscoelastic materials; thus the final results are applicable primarily to polymeric behavior. Our final results are concise analytical expressions [Eqns. (50)] for crack velocity as a function of the creep properties of the material, the level of loading, and the energy or work content of the crack-generated new surface. These analytical solutions are quite general; the primary restriction occurs because they are derived under asymptotic conditions of high- and low-crack velocities. Finally, we compare the analytical predictions with experimental results for a polyurethane elastomer.

---

Résumé On généralise le critère d'instabilité de Griffith pour la propagation d'une fissure afin de fournir un critère pour une croissance de fissure dépendant du temps. La procédure utilisée est similaire à celle de Griffith quand il en est fait usage pour un équilibre global de l'énergie. La méthode de Griffith est généralisée par l'insertion d'un terme de dissipation du taux énergétique dans la loi d'équilibre. Ce terme de taux de dissipation est dérivé afin de représentér le comportement des matériaux viscoélastiques; dès lors, les résultats finals sont principalement applicables au comportement des polymères. Les résultats finals consistent en des expressions analytiques concises pour exprimer la vitesses de propagation en fonction des propriétés de fluage du matériau, du niveau de contrainte et de l'énergie ou du travail associé aux nouvelles surfaces créées par la fissure en cours de propagation. Ces solutions analytiques sont tout à fait générales; la restriction première qui y est apportée procède du fait qu'elles sont dérivées de conditions asymptotiques pour des vitesses de fissuration élevées et lentes. Pour finir, on compare les prédictions analytiques avec les résultats expérimentaux dans le cas d'un élastomère polyuréthane.

     

An analysis of antiplane shear crack growth in a rate sensitive elastic-plastic material

The problem of steady growth of an antiplane shear crack in a strain rate sensitive elastic-plastic material is considered. It is assumed that the material is elastic-perfectly plastic under slow loading conditions, but that the inelastic strain rate is proportional to the difference between the stress and the yield stress raised to some power. In earlier work on this problem in which the possibility of an elastic region in stress space was not considered, it was concluded that the asymptotic crack tip field is completely autonomous, but the local field could not be shown to reduce to a generally accepted rate independent limit as the rate sensitivity of the material vanished. It is shown here that, if the possibility of elastic unloading is admitted in the formulation, the asymptotic crack tip solution does indeed approach the correct rate independent limit as the rate sensitivity of the material vanishes. Furthermore, the crack tip field loses the feature of complete autonomy under these conditions. That is, the crack tip field involves an undetermined parameter that can be determined only from the remote fields. In the analysis, both dynamic and quasistatic growth are considered.

---

Résumé On considère le problème de la croissance stable d'une fissure de cisaillement antiplanaire dans un matériau élastoplastique sensible à la vitesse de déformation. On suppose que le matériau est élastique puis parfaitement plastique en charge lente, mais que la vitesse de déformation inélastique est proportionnelle à la différence entre la contrainte appliquée et la limite élastique, à une certaine puissance. Dans un travail antérieur sur ce problème, où l'on n'avait pas envisagé une région élastique dans l'espace de sollicitations, on avait conclu que le champ asymptotique correspondant à l'extrémité d'une fissure était complètement autonome. Toutefois, on ne pouvait établir que le champ local se réduise à une limite généralement admise comme indépendant de la vitesse, lorsque disparaissait la sensibilité du matériau à la vitesse de sollicitation. Dans la présente étude, on montre qui si on admet dans la formulation la possibilité d'un déchargement en régime élastique, la solution du champ asymptotique à l'extrémité de la fissure se rapproche vraiment de la limite correcte d'indépendance à la vitesse, lorsque disparait la sensibilité du matériau à cette vitesse. En outre, le champ à l'extrémité de la fissure perd ses caractéristiques de complète autonomie sous ces conditions. Ceci veut dire qu'il comporte un paramètre indéterminé, qui ne peut être déterminé qu'à partir des champs de contrainte plus lointains. Dans l'analyses, on a considéré à la fois la croissance dynamique et quasistatique d'une fissure.

     

A new approach to Weibull's statistical theory of brittle fracture

For brittle materials it is shown how the probability of failure of an inhomogeneously stressed structure can be estimated from a knowledge of the expected defect population and the local fracture criterion relating the local stress for failure to the defect size. Account is taken of the possibility that a sample of material contains no defects so that failure is then caused by another mechanism. It is shown that the theory presented is very closely related to the classical theory of Weibull. Furthermore it is demonstrated how account may be taken of loading uncertainties which are experienced in practice.As an example of an inhomogeneous stress state, the pure bending of a beam has been considered in detail. Such an analysis offers a convenient experimental method of determining the defect characteristics of a material. It is shown that a consistency check is possible by estimating experimentally the distribution of failure-initiating flaws and comparing it with a theoretical prediction.

---

Résumé On montre pour des matériaux fragiles comment la probabilité de ruine dans une structure non homogène et soumise à contrainte peut être estimée à partir de la connaissance de la population prévue de défauts et d'un critère de rupture locale mettant en relation la contrainte locale à la ruine avec la dimension d'un défaut. On tient compte de la possibilité qu'un échantillon du matériau ne contienne pas de défaut de sorte que la ruine est causée dans ce cas par un autre mécanisme. On montre que la théorie présentée est en étroite relation avec la théorie classique de Weibull. De plus, on démontre qu'il est possible de tenir compte d'incertitudes quant à la mise en charge, telles qu'elles sont rencontrées en pratique. Comme exemple d'un état de contrainte inhomogène, on a considéré la flexion pure d'une poutre dans le détail. Une telle analyse offre une méthode expérimentale appropriée à la détermination des caractéristiques de défaut d'un matériau. On montre qu'un contrôle de l'exactitude est possible en faisant une estimation expérimentale de la distribution des défauts susceptibles d'entraîner la ruine, et en comparant cette distribution avec une prédiction théorique.

     

A damage model for creep crack growth

A model is developed for damage produced by the growth of isolated grain boundary cavities under power law creep. This damage model is combined with the small scale yielding stress and strain fields to predict the damage ahead of a stationary and a steadily propagating crack tip in an elastic-power law creeping material. A failure criterion, based upon the damage ahead of the crack tip attaining a critical value, is invoked. This criterion leads to predictions for the incubation time prior to initiation of crack growth and for the relationship between the remote stress intensity factor and the steady state crack speed. Results are presented for both elastic-primary and -secondary creep crack growth. In either case, there exists a minimum stress intensity factor below which steady state crack growth is not possible. Comparisons of the predictions of this model with others for steady state crack propagation in elastic-secondary creeping materials are also made.

---

Résumé On développe un modèle décrivant le dommage produit par la croissance de cavités isolées aux frontières des grains sous l'effet d'un fluage selon une loi parabolique. Ce modèle d'endommagement est combiné aux champs de contrainte et de déformation conduisant à une plastification à petite échelle, en vue de prédire le dommage qui se produit en avant de l'extrémité d'une fissure stationaire et en propagation lente, dans un matériau soumis à fluage selon une loi élastique. On invoque un critère de rupture basé sur la valeur critique atteinte par le dommage en avant de l'extrémité de la fisure. Ce critère conduit à prédire le temps d'incubation avant amorçage de la croissance d'une fissure, ainsi que la relation entre le facteur d'intensité des contraintes appliquées à une certaine distance et la vitesse de croissance stable de la fissure.On présente les résultats dans les cas de croissance d'une fissure de fluage au stade secondaire. Dans les deux cas, il existe un facteur d'intensité de contrainte minimum en dessous duquel une croissance stable de la fissure n'est pas possible. On procède également à des comparaisons des prédictions données par ce modèle avec d'autres, pour la propagation en état stable d'une fissure dans des matériaux soumis à fluage secondaire élastique.

     

Crack-growth predictions for viscoelastic materials exhibiting non-uniform craze deformation

Crack growth relationships are derived, for a steadily growing crack in a linear viscoelastic bulk material, based upon a model for which a small scale craze zone or cohesive zone is present at the crack tip. For steady conditions of crack growth the craze zone stress distribution is assumed to be non-uniform and velocity dependent. Using an energy balance fracture criterion, asymptotic forms for the crack growth law are derived which are valid as the crack speed tends to zero and to infinity (neglecting inertia and local heating effects), for a special class of viscoelastic materials. The exact result is given for generalised power law materials.Another important feature of the paper is the development of mathematical methods of solution when the only information known about the material in the craze zone is a non-linear elastic or plastic constitutive relation relating the craze stress to the craze deformation. The distributions of stress and deformation in the craze zone are found as part of the solution of the problem and it is shown how they depend on the speed of crack growth. These distributions are used, together with the energy balance fracture criterion, to determine the speed of crack growth in terms of the fixed applied stress intensity factor. Numerical methods of solution have been employed which are thought to be very accurate. The analysis and results presented apply also to the situation of brittle fracture in viscoelastic materials where cohesive zones exist at the crack tips in place of craze zones

---

Résumé En se basant sur un modèle où une zone de fendillements de petite taille, ou une zone de cohésion, est présente à l'extrémité d'une fissure, on déduit les relations de propagation pour une fissure en croissance lente dans un matériau à caractéristiques viscoélastiques et linéaires. On suppose que pour les conditions de croissance lente, la distribution des contraintes dans la zone de fendillements est non uniforme et dépendante de la vitesse. Grâce à un critère d'équilibre d'énergie de rupture, on tire les asymptotes de la loi de propagation de la fissure, qui sont applicables lorsque la vitesse de fissuration tend vers zéro et vers l'infini (en négligeant l'inertie et les effets thermiques locaux), pour une classe spéciale de matériaux viscoélastiques. Les résultats exacts sont fournis pour les matériaux décrits par une loi quadratique généralisée.Une autre caractéristique importante de ce mémoire est le développement de méthodes mathématiques de résolution du problème, lorsque les seules informations disponibles sur le matériau de la zone de fendillements sont constituées par une relation constitutive non linéaire élastique ou plastique, reliant la contrainte de fendillements à la déformation correspondante. On trouve que les distributions de contraintes et de déformations dans la zone de fendillements ne sont qu'une partie de la solution du problème, et qu'elles dépendent de la vitesse de propagation de la fissure. Avec le critère d'équilibre d'énergie de rupture, ces distributions sont utilisées pour déterminer la vitesse de croissance de la fissure en fonction du facteur d'intensité des contraintes appliquées. On emploie des méthodes numériques, que l'on estime très précises, pour atteindre à la solution. L'analyse et les résultats présentés s'appliquent également à une situation de rupture fragile dans des matériaux viscoélastiques où existent des zones de cohésion aux extrémités de la fissure, en lieu et place de zones de fendillements

     

Probability distributions for the strength of composite materials. III: The effect of fiber arrangement

This paper continues the study of the chain-of-bundles model for the statistical strength of composite materials. The focus is onthree-dimensional composites where the fibers in a cross-section form atwo-dimensional array. In particular, two-layer tapes and hexagonal arrays are considered, and bounding distributions are obtained based on the occurrence of at least two adjacent fiber fractures in the material. As in earlier work, various approximate and limiting Weibull distributions arise for the strength of the composite. In comparing the new results with those obtained earlier for tapes and tubes (one-dimensional arrays), the bounds suggest that the median strength is moderately increased for the two-dimensional arrays, while the variability in strength is unchanged. In situations where the occurrence of two adjacent fiber fractures leads almost certainly to composite fracture, such conclusions are warranted. In cases where the bounds are clearly conservative, the same results are expected, although a slight decrease in the variability in composite strength may occur. Nevertheless, the bounds discussed in this paper yield considerable insight.

---

Résumé Dans le mémoire, on poursuit l'étude du modèle de succession de bottes pour établir la résistance statistique des matériaux composites. On met ici l'accent sur les composites à trois dimensions ou les fibres suivant une section droite sont réparties sur deux dimensions. En particulier, on considère des rubans à deux dimensions et des regroupements en forme hexagonale et l'on obtient les distributions des liaisons en se basant sur l'apparition d'au moins deux ruptures de fibres adjacentes dans le matériau. Comme dans un travail précédent, il apparait diverses distributions de Weibull approximatives et limitatives pour exprimer la résistance du composite. En comparant les nouveaux résultats avec ceux obtenus précédemment dans le cas de rubans et de tubes (distribution à une dimension), l'approche utilisée suggère que la résistance médiane est modérément accrue dans le cas de distributions à deux dimensions, tandis que les variations de la contrainte sont inchangées. Dans des situations où l'apparition de deux ruptures de fibres adjacentes conduit presque certainement à la rupture du composite, de telles conclusions sont confirmées. Dans les cas où les liaisons sont clairement conservatives, on s'attend aux mêmes résultats, bien que puisse survenir une légère diminution dans la variabilité de la résistance du composite. Néanmoins, les liaisons envisagées dans ce mémoire présentent une importance considérable.

---

---

This research was supported by the U.S. Department of Energy under Contract DE-AC02-76 ERO 4027.