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.

     

Experimental and analytical estimates of the J-integral for tensile panels containing short center cracks

The finite element method (FEM) is used to predict the applied J-integral values in highly strained tensile panels containing short center cracks. Experimental J-values are obtained by integrating strain and displacement quantities measured along an instrumented contour. FEM plane stress predictions for J-values and crack mouth opening displacements (CMOD) are much larger than experimentally measured values for short cracks (a/W<0.05). Large geometry changes near the crack tip are demonstrated to have a negligible effect on the FEM J and CMOD values. The introduction of a small stiffened zone near the crack tip using an overlay of plane strain elements brings FEM J and CMOD values into close agreement with experimental values. For longer crack lengths, conventional plane stress FEM solutions are adequate to predict J and CMOD values.

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Résumé On utilise la méthode des éléments finis en vue de prédire les valeurs de l'intégrale J appliquées à des panneaux soumis à un régime de tension sévère et comportant des fissures contrales courtes. Les valeurs expérimentales de l'Intégrale J sont obtenues en intégrant les dilatations et les déplacements le long d'un contour dûment instrumenté.Il apparaît que les prédictions par éléments finis des valeurs de J et des déplacements d'ouverture de la portion débouchante des fissures (CMOD), s'avèrent plus élevées que les valeurs mesurées pour des fissures courtes (a/W<0.05).On démontre que des modifications importantes de la géométrie n'ont qu'une influence négligeable sur les valeurs de J et de CMOD, déterminées par éléments finis.Le fait d'introduire une zone légèrement raidie au voisinnage de l'extrémité de la fissure, en utilisant notamment un revêtement d'éléments opérant en état plan de déformation, a pour conséquence de rapprocher ces valeurs de J et de CMOD, des valeurs expérimentales.Dans le cas de longueurs de fissure plus importantes, il s'avère que les solutions conventionnelles par éléments finis et état plan de tension, sont appropriées à la prédiction des valeurs de J et de CMOD.

     

Shear band characterization of mixed mode I and II fully plastic crack growth

Fully plastic crack growth in singly-grooved plane strain tensile specimens is here characterized by the directions and amounts of fracture and slip on three planes. This model gives the crack growth ductility, defined as the axial displacement per unit ligament reduction (of practical importance in determining the stiffness of the surrounding structure that is needed to prevent unstable fracture) in terms of the fracture surface lengths and directions, as well as the deformation of the back surface. It also gives the directions and magnitudes of slip and fracture.Applied to six different structural alloys with strain-hardening exponents from 0.1 to 0.2, the model gave crack growth ductilities within 10 percent of the observed ones for the symmetrical configurations, where the values ranged from 0.25 to 0.40 and were unrelated to the strain-hardening exponent. For the asymmetrical configurations (that could occur near welds or shoulders), the crack growth ductility for the low hardening materials drops from 0.07 to 0.11. The predicted values (larger for the higher hardening alloys) were within 30 percent of the observed ones. Thus this slip plane model of fully plastic crack growth provides a useful correlation between macroscopic measurements made on the specimens after fracture, and the important loss of crack growth ductility that occurs in fully plastic asymmetric configurations with low strain-hardening materials.

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Résumé Dans ce travail, on caractérise la croissance complètement plastique d'une fissure dans des éprouvettes de traction à rainure simple en état plan de déformations par les directions et l'intensité de la rupture et des glissements selon les trois plans de référence. Ce modèle fournit la ductilité vis-à-vis de la croissance d'une fissure, définie comme le déplacement axial par unité de réduction de ligament, en fonction des longeurs et directions de la surface de rupture, ainsi que la déformation de la surface arrière. Cette ductilité présente une importance pratique pour la détermination de la raideur de la structure d'environnement nécessaire pour éviter une rupture instable. Le modèle fournit également les directions et amplitudes des glissements et de la rupture.Appliqué à six alliages de construction aux modules d'écrouissage compris entre 0.1 et 0.2, le modèle fournit les ductilités vis-à-vis dé la croissance d'une fissure avec un écart de 10% par rapport à celles observées dans des configurations symétriques où les valeurs, non liées aux modules d'écrouissage, s'étaient entre 0.25 et 0.40. Pour des configurations asymétriques, telles qu'on les rencontre près des soudures ou dans les épaulements, la ductilité vis-à-vis de la croissance des fissures tombe à des valeurs de 0.07 à 0.11, dans le cas de matériaux à faible écrouissage. Les valeurs prédites, plus élevées dans les alliages fortement sensibles au vieillissement, s'écartent de 30% des valeurs observées. Ainsi, le modèle à plans de glissement d'une croissance complètement plastique d'une fissure fournit une corrélation utile entre des mesures macroscopiques sur éprouvettes après rupture et l'importante perte de ductilité vis-à-vis de la croissance d'une fissure, rencontrée dans des configurations asymétriques totalement plastiques avec des matériaux à faible sensibilité à l'écrouissage.

     

Rapidly wedged crack propagation data with a static compliance calibration

The dynamic critical stress intensity factor of a propagating crack was measured from the time-dependent shear force at the loading end of a rapidly wedged double cantilever beam specimen. The product of the shear force and the square root of the loading time for a specimen constrained to constant displacement-rate opening is uniquely related to the critical bending moment at the crack tip during crack propagation. Static compliance measurements on side-grooved DCB specimens were incorporated into a dynamic Bernoulli-Euler beam, crack propagation model by a crack length shift at a fixed compliance value. This shift does not affect the magnitude of the critical bending moment at the crack tip, predicted by the simple beam model, when the load and the load point displacement are the measured variables. Details of analysis of the time varying shear force are given including: the rigidity of the contact between the wedge and the specimen; the dynamic critical stress intensity values versus crack velocity for Ti-6Al-4V and AISI 1018 cold-rolled steel.

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Résumé Le facteur d'intensité de contrainte critique dynamique d'une fissure en cours de propagation a été mesuré au départ des forces de cisaillement dépendant du temps apparaissant à l'extrémité de la zone de mise en charge dans le cas d'une éprouvette en poutre double cantilever entaillée et sollicitée rapidement. Le produit de la force de cisaillement et de la racine carrée du temps de mise en charge pour une éprouvette soumise à une ouverture à vitesse de déplacement constante est reliée uniquement au moment de flexion critique à l'extrémité de la fissure au cours de la propagation de celle-ci. Les mesures de compliance statique sur des éprouvettes en double poutre cantilever entaillées latéralement ont été incorporées dans un modèle de propagation de fissure pour une éprouvette dynamique de Bernoulli-Euler, en procédant à un glissement de la longueur de la fissure à une valeur fixe de la compliance. Ce glissement n'affecte pas l'amplitude du moment de flexion critique à l'extrémité de la fissure tel que prédit par un modèle en poutre simple, lorsque la charge et le déplacement du point de charge sont les variables mesurables. Des détails sur l'analyse de la force de cisaillement variable en fonction du temps sont fournis. Ils comportent: la rigidité du contact entre les appuis de charge et l'éprouvette; les valuers d'intensité et de contrainte critique dynamique en fonction de la vitesse de propagation pour un alliage Ti-6Al-4V et pour l'acier laminé à froid AISI 1018.

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Department of Mechanical and Aerospace Sciences.

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Department of Mechanical and Aerospace Sciences and the Materials Science Program.     

Slip-line field solutions for three-point notch-bend specimens

The slip-line field solutions for three-point bend specimens are reviewed for both deep and shallow notches. Plastic constraint factors, hydrostatic stress at the notch root and rotation constant to enable the crack upp opening displacement to be determined are given for a wide range of notch geometries. These values can be used in the fracture analysis of low strength metal specimens.

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Résumé On passe en revue les solutions décrivant les champs de bandes de glissement dans des éprouvettes de flexion sur trois appuis, dans les deux cas d'entailles peu profondes. On fournit pour une large gamme de géométries d'entaille les facteurs de retraint plastique, les contraintes hydrostatiques à la racine de l'entaille et la constante de rotation permettant de déterminer le COD à l'extrémité de la fissure. Ces valeurs peuvent être utilisées pour l'analyse de la rupture des éprouvettes de métaux à faible résistance.

     

Micro behavior at the notch tip during load increasing in brittle fracture beyond general yield

The micro behavior near the notch tip during load increasing was studied by using both plastic replication and optical microscope on mild steel specimen until the final stage of general yielding fracture at low temperature. Results show that a microcrack has already initiated at lower yield point, and the overall path of crack propagation appears to smear out such microcracks by the main crack starting from the notch root. Further, the ferrite grain size dependence of the brittle fracture stress and the temperature characteristics of the number of grains containing microcracks initiated prior to fracture are similar to that in unnotched (uncracked) ones established in the literature. Further, the effects of ferrite grain size and temperature on the crack tip opening displacement (CTOD) have been studied experimentally. The usefulness of the comparative study on cracked and uncracked specimens is discussed.

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Résumé Le comportement microscopique au voisinage de l'extrémité d'une entaille soumise à une charge croissante a été étudié en utilisant à la fois des répliques plastiques et un microscope optique sur des éprouvettes d'acier doux et ce jusqu'au stade final de la rupture par glissement généralisé à basse température. Les résultats montrent qu'une microfissure s'est déjà déclenchée au point de limite élastique inférieure et que le parcours général de la propagation de cette fissure apparait suivre de telles microfissures au départ d'une fissure principale démarrant à la pointe de l'entaille. On montre en outre que la liaison entre le grain ferritique et la tension de rupture fragile ainsi que les caractéristiques à la température du nombre de grains comportant des microfissures amorcées avant le rupture sont similaires aux relations constatées dans le cas d'éprouvettes non fissurées et non entaillées, dans la littérature. De plus, les effets du grain ferritique et de la temperature sur le déplacement d'ouverture de l'extrémité d'une fissure (COD) ont été étudiés expérimentalement. L'utilité de l'étude comparative sur des éprouvettes fissurées et non fissurées est discutée.

     

Influence of strain softening on the fracture of plain concrete beams

Fracture behaviour of notched and un-notched plain concrete slender beams subjected to three-point or four-point bending is analyzed through a one-dimensional model, also called Softening Beam Model. Fundamental equations of equilibrium are used to develop the model. The influence of structural size in altering the fracture mode from brittle fracture to plastic collapse is explained through the stress distribution across the uncracked ligament obtained by varying the strain softening modulus. It is found that at the onset of fracture instability, stress at the crack tip is equal to zero. The maximum load and fracture load are found to be different and a unique value for the fracture load is obtained. It is shown that the length of the fracture process zone depends on the value of the strain softening modulus. Theoretical limits for fracture process zone length are also calculated. Several nonlinear fracture parameters, such as, crack tip opening displacement, crack mouth opening displacement and fracture energy are computed for a wide variety of beam specimens reported in the literature and are found to compare very well with experimental and theoretical results. It is demonstrated that by following a simple procedure, both pre-peak and post-peak portions of load versus crack mouth opening displacement curve can be obtained quite accurately. Further, a simple procedure to calculate the maximum load is also developed. The predicted values of maximum load are found to agree well with the experimental values. The Softening Beam Model (SBM), proposed in this investigation is very simple and is based on rational considerations. It can completely describe the fracture process from the beginning of formation of the fracture process zone till the onset of fracture instability.

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Résumé A l'aide d'un modèle unidimensionnel dit Softening Beam Model (SBM), on analyse le comportement à rupture de poutres élancées pleines entaillées ou non, soumises en flexion en trois ou quatre points. Des équations fondamentales d'équilibre sont utilisées pour développer le modèle. On explique l'influence de la taille du composant sur l'altération du mode de rupture en rupture fragile et en effondrement plastique par la distribution par la distribution des contraintes sur le ligament non fissuré lorsque varie le module d'adoucissement. On trouve que la contrainte à l'extrémité de la fissure est nulle est nulle au début de l'instabilité de la rupture. La charge maximum et la charge à la rupture sont trouvées différentes, et on obtient une valeur unique de la charge à la rupture. On montre que la longueur de la zone concernée par le processus de rupture d'pend de la valeur du module d'adoucissement. On calcule également les limites théoriques de longueur de cette zone. Divers paramètres de rupture non linéaire sont calculés pour une large gamme d'éprouvettes en poutres reprises dans la littérature; on trouve qu'il existe une bonne concordance avec les résultats expérimentaux et théoriques. On démontre qu'en suivant une procédure simple on peut obtenir avec une bonne précision la courbe reliant les portions avant et après le pic de sollicitation en fonction du COD de la fissure. En outre, on développe une procédure simple pour calculer la charge maximum. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs expérimentales. Le modèle SBM proposé est très simple et est basé sur des considérations rationnelles. Il est susceptible de décrire complètement le processus de rupture depuis le début de la formation de la zone intéressée jusqu'à l'amorçage de la rupture instable.

     

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.

     

Fracture criterion and crack stability in grooved beam-like testpieces

In this paper, the fracture criterion for rectangular grooved beam-like testpieces under several loading conditions has been analysed using a simple beam-on-elastic foundation model. Experiments have shown that the model is adequate for describing quasi-static fracture in such test geometries. In addition, the crack stability conditions under both load-controlled and displacement-controlled testing machines are presented.

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Résumé Dans ce mémoire, le critère de rupture pour des pièces rectangulaires entaillées en forme de poutres soumises à diverses conditions de mise en charge est analysé en recourant à un modèle d'une poutre simple posée sur une fondation élastique.Des essais montrent que le modèle est adéquat pour décrire une rupture quasi statique dans le cas de géométries similaires à la géométrie étudiée. En outre, les conditions de stabilité de la fissure sont présentées pour les deux cas d'essais sur des machines à déplacement contrôlés et à charge contrôlée.

     

Bilby,Cottrell and Swinden model solutions for centre and edge cracked plates subject to arbitrary mode I loading

Solutions to the Bilby, Cottrell and Swinden model are presented for centre and edge cracks in plates subject to arbitrary mode I loading. They are in good agreement with known plane strain solutions. The recent determination of centre and edge crack compliance functions for crack length to plate width ratios of up to 1 enable solutions to be obtained up to general yield. The solutions for a crack in an infinite body and in a half-plane are compared with the finite width results and their region of applicability discussed.

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Résumé On présente des solutions aux modèles de Bilby, Cottrell et Swinden dans le cas de fissures centrales et latérales disposées dans des tôles soumises à un mode de charge I arbitraire. Ces solutions sont en bon accord avec la solution connue en état plan de déformation.La détermination récente des facteurs de compliance relatifs à des fissures centrales et latérales et pour des rapports de largeur de fissures à largeur de tôles allant jusqu'à 1, permet d'obtenir des solutions valables jusqu'à la limite d'écoulement généralisé. Dans les cas d'une fissure située dans un corps infini, et de la fissure située dans un demi-plan, les solutions sont comparées avec les résultats relatifs à des largeurs finies, et leurs limites d'application en sont discutées.

     

Dependence of ductile fracture toughness of a weld metal on notch root radius and inclusion content

Using different fluxes of high and low basicity, two different welds have been produced with low and high inclusion content. Inclusions have been characterized in 2 and 3 dimensions, from measurements on both polished sections and on fracture surfaces. The fracture toughness is evaluated with J0integral, crack tip opening displacement (CTOD) and stretch zone width measurements. Ductile fracture satisfies the criterion of a critical fracture strain over a characteristic distance. These two critical values can be determined from the results obtained with blunt notch specimens. Characteristic distances are an order of magnitude larger than the inclusion spacing. This is attributed to the need to reach conditions of sustained crack growth for initiation of ductile tearing.

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Résumé A l'aide de flux différents de forte et faible basicité, on a produit deux soudures à faible et forte teneur inclusionnaire. Les inclusions sont caractérisées en 2 et 3 dimensions par des mesures sur coupes polies et sur les surfaces de rupture. La ténacité à la rupture est évaluée par l'intégrale J, l'ouverture critique en fond de fissure (CTOD) et la mesure de la zone d'étirement. La rupture ductile satisfait la condition qu'une déformation critique de rupture soit atteinte sur une distance caractéristique. Ces deux valeurs critiques peuvent être déterminées à partir des résultats obtenus sur éprouvettes avec rayon d'entaille. Les distances caractéristiques sont un ordre de grandeur plus grandes que les distances inter-inclusionnaires. On attribue cette différence à la nécessité de satisfaire les conditions de croissance soutenue de la fissure pour l'initiation de la rupture ductile.

     

On the energy release rate and the J-integral for 3-D crack configurations

In this paper an analytical expression for the energy release rate has been derived and put in a form suitable for a numerical analysis of an arbitrary 3-D crack configuration. The virtual crack extension method can most conveniently be used for such a derivation. This method was originally developed from finite element considerations and the resulting expressions were, therefore, based on the finite element matrix formulation [1–5]. In this paper the derivation of the energy release rate leads to an expression which is independent of any specific numerical procedure. The formulation is valid for general fracture behavior including nonplanar fracture and shear lips and applies to elastic materials as well as materials following the deformation theory of plasticity. The body force effect is also included. For 3-D fracture problems it is of advantage to use both an average and a local form of the energy release rate and definitions for both forms are suggested. For certain restrictions on the crack geometry it is shown that the energy release rate reduces to the 3-D form of the J-integral.

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Résumé Dans le mémoire, on a établi une expression analytique pour la vitesse de relaxation de l'énergie et on l'a mise sous une forme convenable pour une analyse numérique de configurations de fissures arbitrairement à trois dimensions. La méthode d'extension virtuelle de la fissure est celle qui convient le mieux pour un tel traitement. Cette méthode a été, à l'origine, développée à partir de considérations d'éléments finis et les expressions qui en résultaient ont dès lors été basées sur une formulation de matrice d'éléments finis [1, 5]. Dans le présent mémoire, la dérivation de la vitesse de relaxation de l'énergie conduit à une expression indépendante de toute procédure numérique spécifique. La formulation est applicable au comportement général à la rupture comprenant des ruptures non coplanaires et des lèvres de cisaillement, et s'applique à des matériaux aussi bien élastiques que redevables de la théorie des déformations en plasticité. On tient compte également de l'effet des forces appliquées sur un corps. Dans le cas de problèmes de rupture à trois dimensions, il est avantageux d'utiliser à la fois une forme moyenne et une forme locale de taux de relaxation d'énergie et l'on suggère des définitions pour ces deux formes. Dans le cas de certaines restrictions relatives à la géométrie de la fissure, on montre que le taux de relaxation de l'énergie se ramène à une expression générale à trois dimensions de l'intégrale J.

     

Modeling of dynamic crack propagation: II. Validation of two-dimensional analysis

The problem of fast fracture and crack arrest in rectangular fracture specimens under plane strain conditions is investigated within the confines of linear elastic fracture mechanics. A development consistent with the energy-balance criterion for fracture is obtained by first expressing the strain and kinetic energies in their finite-difference forms. These forms are used in Lagrange's equations and in the definition of the energy release rate to obtain the governing field equations. This development is subsequently used to make predictions that are compared with their measured counterparts. Agreement of predicted and observed compliances of SEN, CT, and DCB specimens is found to be very good. A direct comparison of predicted and measured results is made for a rapid fracture and crack arrest in an Araldite B DCB specimen. The predicted crack growth, crack-time history, and variations of the dynamic stress intensity factor and crack speed with crack length during propagation agree remarkably well with the experimental data.

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Résumé On étudie à l'aide de la mécanique de la rupture linéaire et élastique le problème de la fissure rapide et de l'arrêt de fissuration dans des éprouvettes de rupture rectangulaires soumises à des conditions d'état plan de déformation. Un développement compatible avec le critère d'équilibre de l'énergie pour la rupture est obtenu en exprimant d'abord les déformations et les énergies cynétiques sous des formes de différences finies. Ces formes sont utilisées dans les équations de Lagrange et dans la définition de la vitesse de relaxation d'énergie, afin d'obtenir des équations de champ. Ce développement est ensuite utilisé pour faire des prédictions qui sont comparées avec les mesures expérimentales. Un accord entre les compliances prédites et observées dans le cas d'éprouvettes SEN, CT et DCB, apparait comme particulièrement satisfaisant. Une comparaison directe des résultats prédits et mesurés est effectuée dans le cas d'une rupture rapide et dans le cas d'un arrêt de fissure dans une éprouvette DCB en Araldite B. La vitesse prédite pour la croissance de la fissure, le déroulement de la fissuration, et les variations dans le facteur d'intensité de contraintes dynamiques et dans la vitesse de fissuration en fonction de la longueur de la fissure au cours de la propagation sont en remarquable accord avec les données expérimentales.

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Part I will be published in the next issue.     

Similarity analysis of energy transport in gas-driven fractures

Gas-driven fracture propagation is important in a variety of blasting technologies. In most applications, the driving gases are very hot and so heat transfer from the gas to the fracture walls strongly influences the speed and the ultimate extent of fracture propagation.In this paper, similarity solutions are presented for the problem of a planar gas-driven fracture propagating into a brittle elastic solid. Local values of the fluid pressure, temperature and speed are computed from the one-dimensional mass, momentum and energy equations governing the turbulent flow of an ideal gas. Crack opening displacements and the stress intensity at the crack tip are calculated from the gas pressure distribution, in accordance with the quasi-steady integral relations from linear/elastic fracture mechanics.Four thermal models are considered in the analysis: isothermal, isentropic, adiabatic with frictional heating, and the more general case with heat transfer to a cold fracture wall. When heat transfer is very weak, the general solution approaches the adiabatic result; when heat transfer is very strong, the general result approaches the isothermal limit. The applicable range of each model is described. Example calculations are presented for a number of applications, including: underground nuclear testing, tailored-pulse well shooting, and near surface blasting.

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Résumé La propagation d'une rupture sous une expansion de gaz est un sujet important dans diverses technologies utilisant les explosifs. Dans la plupart des applications, les gaz régissant la rupture sont très chauds, de sorte que le transfert thermique du gaz aux parois de la rupture a une influence déterminante sur la vitesse de la rupture et sur l'étendue finale de sa propagation. Dans l'étude, on présente des solutions de similitude applicables au problème d'une rupture planaire provoquée par l'expansion d'un gaz, et se propageant dans un solide fragile et élastique. Les valeurs locales de la pression, de la température et de la vitesse du fluide sont calculées à partir d'une série d'équations de masse, de momentum et d'énergie, qui gouverne l'écoule-ment turbulent d'un gaz parfait. On calcule le COD et l'intensité de contraintes à l'extrémité de la fissure en partant de la distribution de pression du gaz, et ce en cohérence avec les relations intégrales quasi stationnaires de la théorie linéaire et élastique de la mécanique de la rupture. On considère dans l'analyse quatre modèles thermiques: le modèle isotherme, le modèle isentrope, le modèle adiabatique avec échauffement par frottement, et le cas le plus général prenant en compte le transfert de chaleur vers la paroi froide de la cassure. Lorsque le transfert calorifique est très faible, la solution générale se rapproche du modèle adiabatique. Lorsqu'il est très important, la solution générale se rapproche d'une limite isotherme. On décrit le domaine applicable à chaque modèle, et des exemples de calculs sont présentés pour diverses applications, comprenant notamment les essais nucléaires souterrains, le tir en puits à impulsions contrôlées, et les explosions au voisinage de la surface du sol.

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This performed at Sandia National Laboratories supported by the U.S. Department of Energy under Contract DE-AC04-76DP00789.     

Thermally activated crack propagation — theory

Steady state crack propagation in solids is analyzed as a thermally activated process. The fracture mechanics concept of a crack driving force is formally introduced to molecular rate theory. This representation of crack propagation appears to be, in many aspects, similar to that of the motion of a dislocation under a shear stress across thermal obstacles. The basic thermodynamic relations are derived for steady state crack propagation using assumptions similar to those well accepted in theories of deformation based on thermally activated dislocation motion.

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Résumé La propagation stationnaire d'une fissure dans un solide est analysée en tant qu'un processus d'activation thermique. Le concept d'une force d'extension de la fissure, utilisé en mécanique de la rupture, est formellement introduit dans la théorie cinétique moléculaire. Cette représentation de la propagation d'une fissure apparaît, en maint aspects, similaire à celle du mouvement d'une dislocation sous l'effect d'une contrainte de cisaillement à traver des obstacles thermiquement franchissables. On dérive les relations thermodynamiques fondamentales pour la propagation stationnaire d'une fissure, à partir d'hypothèses simplificatrices similaires à celles couramment acceptées dans les théories de déformation basées sur le mouvement thermiquement activé des dislocations.

     

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.

     

Some basic problems in stress wave dominated fracture

Problems of characterizing the stress wave induced stress field around the crack tip and ensuing crack propagation behavior are described. After stating the assumptions underlying an idealized model of brittle, dynamic fracture we review experimentally observed deviations from such idealized behavior. Such deviations are ascribed to the development of numerous microcracks in the crack tip region. These microcracks determine the crack initiation process, the speed of crack growth and the branching phenomenon. Also we examine critically the contention that there exists a unique relation which links instantaneous crack speed to the instantaneous stress intensity factor in brittle solids. That question highes materially on limitations of current measurement techniques.

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Résumé On décrit les problèmes de caractérisation du champ de contrainte induit autour de l'extrémité de l'entaille par une onde de tension et les conséquences qui en résultent sur le comportement à la propagation d'une fissure. Après avoir posé les hypothèses soujacentes à un modèle idéal de rupture fragile et dynamique, on passe en revue les déviations observées par voie expérimentale à partir d'un tel modèle. Ces déviations sont attribuées au développement de nombreuses microfissures dans la région de l'extrémité de la fissure. Ces microfissures déterminent un processus d'amorçage de fissure, une vitesse de croissance de la fissure et un phénomène d'arborescence. On examine également de manière critique l'assertion selon laquelle il existe une relation unique qui relie la vitesse instantaneée de la fissure au facteur d'intensité d'entaille instantané dans des solides fragiles. La solution à cette question est matériellement gènée par des limitations dans les techniques de mesure habituelles.

     

Detection and toughness characterisation of ductile crack initiation in 316 stainless steels

Tests on SEN bend specimens of cold worked 316 stainless steels have enabled values of the crack opening displacement at fibrous crack initiation, _v, to be compared with initiation toughness values implied by various crack monitoring techniques and methods of assessing crack tip ductility. The estimation methods available for obtaining values of the J contour integral from a load/displacement curve have been utilised and compared and have enabled relationships between J _Q, ₁ and specimen geometry to be investigated for the test materials. The results indicate that the sensitivity of the crack monitoring techniques to the detection of initiation is not only dependent on experimentation but also on the rate at which ductile crack growth proceeds following initiation. The interrelation between sensitivity, crack growth rate and toughness is discussed.

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Résumé Des essais sur des éprouvettes de flexion à entailles latérales simples en acier inoxydable 316 écroui ont permis d'établir les valeurs du COD lors de l'amorçage de fissure fibreuse, ces valeurs étant comparées avec les valeurs de la ténacité à l'amorçage déduites de diverses techniques de détection de fissuration ainsi que de méthodes pour établir la ductilité à fond d'entaille. On a utilisé les méthodes approximatives qui sont disponibles pour obtenir les valeur de l'intégrale de contour J à partir d'une courbe charge-déplacement; on a comparé et établi des relations entre J _Q, le COD et la géométrie de l'éprouvette utilisée pour les matériaux d'essai. Les résultats montrent que la sensibilité des techniques de détection d'une fissure et plus particulièrement de son initiation ne dépend pas seulement des conditions expérimentales mais également de la vitesse à laquelle la croissance de la fissure se produit après l'initiation. On discute les relations entre la sensibilité, la vitesse de croissance de la fissure et la ténacité.

     

Surface integral and finite element hybrid method for two- and three-dimensional fracture mechanics analysis

This paper summarizes the development of the surface integral and finite element hybrid method for two and three dimensional fracture mechanics analysis. The fracture, which is a discontinuity in the displacement field, is modeled explicitly and efficiently by use of dislocations for two dimensional analysis and by dipoles of point forces for three dimensional applications. The boundary value problem of a fracture in a finite domain is solved by (incremental) superposition of a finite element model of the finite body without the crack and a surface integral model of an infinite body with the crack, ensuring proper traction and displacement matching at the boundaries. Finite elements are also used to model nonhomogeneity and plasticity, though isotropic kernels are used for the integral equation. A variety of two and three dimensional problems have been modeled and excellent agreement with analytical solutions has been obtained. Propagation problems in two dimensions have also been modeled and the predicted results agree very well with experimental observations.

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Résumé On résume le développement de la méthode de l'intégrale de surface et des éléments finis hybrides pour l'analyse de la mécanique de rupture à deux et à trois dimensions. La rupture, considérée comme une discontinuité dans un champ de déplacement, est représentée de manière explicite et avec efficience en recourant aux dislocations dans le cas de l'analyse à deux dimensions, et aux dipoles de forces ponctuelles dans le cas des applications à trois dimensions. Le problème de la valeur aux limites d'une rupture dans un domaine fini est solutionné par la superposition par incréments d'un modèle à éléments finis d'un corps fini dépourvu de fissures et d'un modèle en intégrale de surface d'un corps infini pourvu d'une fissure, en s'assurant que les conditions appropriées de traction et de déplacement s'accordent aux limites. On utilise également les éléments finis pour représenter une non homogénité ou de la plasticité, bien que des kernels isotropes soient employés pour l'équation intégrale. On a représenté divers problèmes à deux et à trois dimensions et on a obtenu un excellent accord avec les solutions analytiques. Les problèmes de propagation en deux dimensions ont également été modélisés, et ces résultats prévus sont en excellent accord avec les observations expérimentales.

     

A wedge test for quantifying fully plastic fracture

A test using two wedges splitting a small, doubly grooved specimen allows measurement of stable, fully plastic crack initiation and growth under variable amounts of triaxiality. In wedge tests, 25 mm cubes of 1018 hot rolled steel in three different orientations exceeded the limit load predicted by plastic slip-line fields. The tests gave crack tip initiation displacements of 0.7–0.8 mm, regardless of orientation. Since microscopic examination of the fracture surfaces indicated that the wedges suppress blunting, the presence of non-zero initiation displacements suggests that a fracture process zone of finite thickness must be established before crack growth. During growth, a specimen with rolling direction normal to the crack plane had a crack growth ductility (minimum displacement per unit ligament reduction) of 0.006–0.009, compared to ductilities of 0.016–0.027 for specimens with rolling direction parallel to the crack front or parallel to the growth direction. The lower ductility with the crack normal to the rolling direction appears to be due to a smoother fracture surface without zigzagging between inclusion stringers.

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Résumé L'essai consistant à séparer par deux coins une petite éprouvette à double entaille permet de mesurer l'amorçage stable et totalement plastique d'une fissure et sa croissance sous divers états de triaxialité. On a constaté lors d'essais de ce type que des cubes de 25 mm de côté en acier 1018 brut de laminage présentaient, dans les trois directions caractéristiques, une charge limite en excès par rapport aux prédictions fournies par les champs de bandes de glissement plastique. Les essais produisaient des déplacements de l'extrémité de la fissure à l'amorçage de quelque 0.7–0.8 mm, quelle que soit l'orientation. Un examen microscopique des surfaces de la rupture a révélé que les coins suppriment la formation de cupules; dès lors, la présence de déplacements non nuls à l'amorçage suggère que le processus de rupture à dû se déclencher dans une zone d'épaisseur finie avant que ne croisse la fissure. Au cours de cette croissance, on a constaté qu'une éprouvette dont le sens de laminage était normal par rapport au plan de la fissure présentait une ductilité à la croissance de la fissure de 0.006–0.009, comparée aux valeurs de 0.016–0.027 qu'exhibent des éprouvettes dont le sens de laminage est parallèle au front de fissure ou à la direction de sa croissance (on définit la ductilité à la croissance d'une fissure par le déplacement minimum par une unité de réduction du ligament). La ductilité plus faible constatée pour une fissure normale par rapport à la direction de laminage parait due à une surface de rupture plus lisse, dépourvue de portions en zig-zag entre les inclusions.