Analysis of stress intensity factor of a crack approaching welding bead

An analysis of the stress intensity factor is made for a crack approaching the welding line from the normal direction in an infinite plate.The equations proposed by one of the authors and others were employed in the analysis as the distribution function of the residual stress caused by welding. The effects of crack location and the length on the stress intensity factor were closely examined.For the constant crack length, the maximum stress intensity factor does not occur when the crack center coincides with the welding line, but does when the crack front approximately reaches the welding line.For a better understanding of the behavior of a crack approaching the weldment, analysis was also carried out for a crack with various lengths but constant eccentricity.

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Résumé On a procédé à une analyse du facteur d'intensité de contrainte qui correspond à une fissure qui se rapproche d'un dépôt de soudure normalement à la ligne de fusion et dans une tôle infinie.On a utilisé les équations élaborées par un des auteurs ainsi que par d'autres chercheurs pour décrire la distribution des contraintes résiduelles provoquées par le soudage. On a également examiné de près les effets sur le facteur d'intensité de contrainte de l'emplacement de la fissure et de sa longueur.A longueur de fissure constante, le facteur d'intensité de contrainte ne passe pas par sa valeur maximum lorsque le centre de la fissure coïncide avec l'axe de la soudure, mais bien lorsque l'extrémité de la fissure est sur le point d'atteindre cet axe.Pour mieux comprendre le comportement d'une fissure qui se rapproche d'une soudure, on a également analysé le cas de fissures de diverses longueurs, mais à excentricité constante.

     

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.

     

Crack propagation and crack arrest in stress gradients

Eshelby's and Freund's solutions for the arbitrary motion of a crack have been applied to the propagation and arrest of cracks in stress gradients in infinite and semi-infinite plates. It has been shown that for an embedded crack with one end moving the dynamic stress intensity factor can be greater than for a static crack of the same length and loading. Such a crack thus arrests at a length greater than would be predicted by a static analysis. However, with edge cracks, which are of greater practical importance, the dynamic stress intensity factor is less than the static value, and crack arrest can occur at crack lengths shorter than would be predicted from a static analysis, although, if the fracture toughness for crack arrest is very similar to the toughness for reinitiation of crack propagation, the crack can propagate further after the arrival of reflected waves at the crack tip, and the point where the crack finally stops will approach that given from a static analysis. Thus provided the arrest toughness can be properly identified, a static analysis gives a conservative answer for the arrest of an edge crack, but not for the arrest of an embedded crack.

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Résumé On présente l'application des solutions d'Eshelby et de Freund à la mouvement arbitraire d'une fissure à la propagation et l'arrête d'une fissure dans les gradients de la contrainte dans les plaques infinies et semi-infinies. On a démontré que dans le cas de la mouvement d'une extremité d'une fissure centrale le facteur d'intensité des contraintes peut être plus grand que la valeur de celui d'une fissure statique, et ainsi la fissure s'arrêtera à une longueur plus grande que ce qu'on prédirait d'une calculation statique. Cependant les facteurs dynamiques d'intensité des contraintes des fissures latérales, qui dans la pratique sont plus importantes, sont plus grands que les valeurs statiques, et une fissure peut s'arrêter à une longueur moins de cela qu'on prédirait d'une calculation statique, mais si la tenacité à l'arrête et la tenacité à la recommencement de la propagation ne sont pas très différentes, la fissure peut se propager plus loin après l'arrivée des ondes de contrainte à l'extremité de la fissure, et le point final de l'arrête se trouvera près du point, qu'on prédirait d'une calculation statique. Ainsi pourvu qu'on puisse déterminer correctement la tenacité à l'arrête, une calculation statique prédirait un resultat conservatif pour l'arrête d'une fissure latérale, mais prédirait une longueur trop petite pour l'arrête d'une fissure centrale.

     

On the interaction among stage I short crack,slip band and grain boundary: a FEM analysis

A FEM model of a stage I short crack in polycrystals was constructed based on the micromechanics and the physical process of its growth. The effective stress and effective plastic strain at the growing stage I short crack tip is slightly affected by the coplanar slip except in the vicinity of the grain boundary. Stage I growth is a mode transition process from pure shear to pure tensile, which is governed by the interaction among the crack, the slip at the crack tip and the approached grain boundary. The coplanar slip at the stage I crack tip enhances plastic CTSD and promotes the shear mode growth, nevertheless the grain boundary hindering the coplanar slip promotes the tensile mode growth. The apparent fast growth of stage I short cracks is accounted for by the enhanced CTSD resulting from the micro-plasticity in the coplanar PSB at the crack tip; and the minimum growth tate in the vicinity of a grain boundary is correlated with the expended CTSD and internal stress due to incompatible deformation at the boundary. The closure of stage I short crack in the first grain on the path is negligible, but dramatically increases as the crack deflects at the boundary entering into the second grain on its path.

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Résumé On établit un modéle d'une fissure courte en stade I dans des polycristaux en se basant sur la micromécanique et le processus physique de sa croissance. La contrainte effective et la déformation plastique effective à l'extrémite d'une fissure courte au stade I de croissance sont légèrement influencées par les glissements coplanaires, sauf au voisinage de la frontière des grains. La croissance en stade I est un processus de passage d'un cisaillement pur à une traction pure, régi par l'interaction entre la fissure, le glissement à son extrémité et la présence de la frontière de grain proche. Le glissement coplanaire à l'extrémité de la fissure accroit la déformation plastique à cet endroit, et enconrage le mode de croissance par cisaillement, tandis que la frontière de grain bloque le glissement coplanaire et favorise un mode de croissance par traction. On attribue la croissance apparemment rapide de fissures courtes en stade I à la plastification accrue à fond d'entaille résultant de la micro-plasticité dans les plans de bandes de glissement à l'extrémité de la fissure. Par ailleurs, la vitesse minimale de croissance de la fissure au voisinage d'une frontière de grain est en corrélation avec l'accroissement de déformation plastique et avec la tension interne due à une incompatibilité de déformation à cette frontière. L'accomplissement du stade I est néglicable tant qu'une fissure courte se trouve dans le premier grain de son parcours. II s'accélère de manière spectaculaire lorsqu'elle dévie à la fontière du grain suivant et qu'elle pénètre dans celui-ci.

     

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.

     

Path of a crack in a beam due to dynamic flexural fracture

This paper discusses some theoretical investigations of the path followed by a crack which is produced by applying a sufficiently large static bending moment to an elastic beam. It has been observed experimentally that this path does not, in general, correspond to the shortest distance across the beam, i.e. a straight line perpendicular to the beam axis. Quite often as the path approaches the opposite face of the beam it turns and runs almost parallel to the beam axis. Two aspects of this behavior are theoretically explained: first the initial deviation from the straight line, which obviously is a problem of path-stability, and second the ability of the crack to propagate afterwards more or less perpendicular to the initial direction. Path-stability is discussed by a criterion resulting from a calculation of the direction of maximum released energy during crack-propagation. The subsequent stage of crack-propagation in axial direction is discussed by applying the standard propagation criterion of maximum hoop-stress.

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Résumé On discute de recherches théoriques sur le chemin parcouru par une fissure produite par l'application à une poutre élastique d'un moment statique de flexion suffisamment grand.Les observations expérimentales ont établi que ce dernier, en général, ne correspond pas à la plus courte distance dans la poutre, à savoir une ligne droite, perpendiculaire à son axe. Le plus souvent, lorsque la fissure s'approche de la face opposée à celle de son démarrage, son chemin s'incurve et se développe parallèlement à l'axe de la poutre. On peut expliquer par la théorie deux aspects de ce comportement: d'une part, la déviation originelle de la ligne droite, qui est à l'évidence un problème de stabilité du parcours, et, d'autre part, la possibilité pour la fissure de se propager ensuite plus ou moins perpendiculairement à la direction initiale.La stabilité du parcours de la fissure est discutée à l'aide d'un critère établi par un calcul de la direction dans laquelle l'énergie libérée passe par un maximum au cours de la propagation de la fissure. Le stade ultérieur de propagation dans la direction parallèle à l'axe de la poutre est discuté par application du critère standard de propagation basé sur la contrainte maximum de membrane.

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This paper is based on a part of the doctoral thesis of the first author. The second author was his advisor.     

The dynamic energy release rate for two parallel steadily propagating mode III cracks in a viscoelastic body

The dynamic steady-state propagation of two parallel semi-infinite, mode III cracks is considered for a general, infinite, homogeneous, and isotropic linearly viscoelastic body. A Barenblatt type failure zone is assumed to exist at the crack tip and a formula for the energy release rate is derived which provides immediate comparisons with the corresponding single crack problem. The influence of crack speed, crack separation, and material properties upon the energy release rate are illustrated with numerical calculations for both power-law material and a standard linear solid. Results for the elastic and quasi-static viscoelastic problems are deduced as limiting cases of the analysis.

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Résumé On reconsidère le problème d'une fissuration de Mode I dans des plaques soumises à une contrainte de membrane et à flexion. Le but est d'examiner de manière plus approfondie certaines caractéristiques analytiques du problème et de fournir de nouveaux résultats. On compare la formulation et les résultats fournis par la théorie classique et par la théorie des plaques de Reissner dans le cas de fissures traversantes ou partiellement traversantes. Pour les fissures de surface, on emploie une solution par éléments finis à trois dimensions comme base de comparaison.On obtient la solution et on fournit les résultats pour un problème d'interaction fissure-contact dans une plaque comportant une fissure traversante soumise à flexion pure et pour le problème d'interaction de fissures. Une procédure est également développée pour traiter le problème de la croissance subcritique d'une fissure et pour suivre l'évolution d'une fissure en propagation.

     

Slightly curved or kinked cracks

A solution is presented for the elastic stress intensity factors at the tip of a slightly curved or kinked two-dimensional crack. The solution is accurate to first order in the deviation of the crack surface from a straight line and is carried out by perturbation procedures analogous to those of Banichuk [1] and Goldstein and Salganik [2, 3]. Comparison with exact solutions for circular arc cracks and straight cracks with kinks indicates that the first order solution is numerically accurate for considerable deviations from straightness. The solution is applied to fromulate an equation for the path of crack growth, on the assumption that the path is characterized by pure Mode I conditions (i.e., K _II=0) at the advancing tip. This method confirms the dependence of the stability, under Mode I loading, of a straight crack path on the sign of the non-singular stress term, representing tensile stress T acting parallel to the crack, in the Irwin-Williams expansion of the crack tip field. The straight path is shown to be stable under Mode I loading for T<0 and unstable for T>0.

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Résumé On présente une solution pour les facteurs d'intensité de contrainte élastique à l'extrémité d'une fissure bi-dimensionnelle légèrement incurvée ou croquée.La solution est exacte au premier degré pour la déviation à la surface de la fissure à partir d'une ligne droite, et est mise en oeuvre à l'aide de procédures de perturbations analogues à celles de Banichuck, et de Goldstein et Salganik.Une comparaison avec les solutions exactes dans le cas de fissures en arc de cercle et de fissures droites avec un croquage indique que la solution du premier ordre est numériquement exacte pour des déviations déjà importantes par rapport à une fissure purement droite.La solution est appliquée à la formulation d'une équation décrivant le parcours de la croissance d'une fissure, en supposant que ce parcours est caractérisé des conditions de Mode I pures (càd. K _h=0) à l'extrémité de la fissure.Cette méthode confirme la dépendance de la stabilité sous une mise en charge de Mode I d'un parcours d'une fissure droite par rapport aux signes du terme de contrainte non singulière représentant la contrainte de traction agissant parallèlement à la fissure dans un champ de Irwin-Williams décrivant l'expansion à l'extrémité de celle-ci. On montre que le chemin en ligne droite est stable sous une mise en charge de Mode I lorsque T est inférieur à O et instable lorsque T est supérieur à O.

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Research supported by the U.S. National Science Foundation/Materials Research Laboratory at Brown University.

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Research supported by the U.S. National Science Foundation/Materials Research Laboratory at Brown University.     

A theoretical model for roughness induced crack closure

A theoretical model for the effects of grain size on the magnitude of roughness induced crack closure (RICC) at fatigue crack growth threshold has been proposed. With the basic configuration of a crack propagating incrementally along planar slip bands and deflecting at grain boundaries, an idealized zig-zag crack path is considered. The effective slip band length is considered to be equal to grain size. It is assumed that the dislocations emitted from the crack tip upon loading to form the pile-up are completely irreversible to produce a comnined mode I and mode II displacement at the crack tip. The assumption of continuously distributed dislocations in the pile-up facilitated the calculation of crack tip sliding displacement (CTSD) along the slip plane from which the mode I closure disregistry just behind the crack tip can be calculated. The closure stress intensity factor at threshold, K _el,th could then be expressed as a function of critical resolved shear stress, average macroscopic yield stress, angle subtended by the slip plane with the crack plane and the length of the slip band. Comparisons of the predicted trends with experimental data from various alloy systems indicate good agreement.

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Résumé On propose un modèle théorique pour décrire les effets de la taille du grain sur l'importance de la rugosité associée à la fermeture d'une fissure lors du franchissement du seuil de propagation en fatigue. On considère un chemin de fissuration en zig-zag idéalisé, avec une configuration de base d'une fissure qui se propage par incréments le long des bandes de glissements et par déviations aux frontières des grains. La longueur effective d'une bande de glissement est prise comme égale à la taille du grain. On suppose que les dislocations émises de l'extrémité de la fissure sous charge et qui forment l'empilement, sont totalement irréversibles au point de produire un déplacement combiné de mode-I et de mode-II à cette même extrémité. L'hypothèse de dislocations continûment distribuées dans l'empilement facilite le calcul du dèplacement par glissement de l'extrémité de la fissure le long du plan de glissement, à partir duquel on peut établir les conditions de fermeture en mode-I juste derrière l'extrémité de la fissure. Le facteur d'intensité de contraites de seuil peut dès lors être exprimé en fonction de la contrainte critique de cisaillement, de la limite élastique macroscopique moyenne, de l'angle entre le plan de glissement et le plan de la fissure, et de la longueur de la bande de glissement. Un bon accord est trouvé entre les tendances prévues et les données expérimentales, dans le cas de divers alliages.

     

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

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

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

     

On the dynamic fracture of structural metals

Some fundamental aspects of dynamic crack growth in structural steels are presented and discussed. The discussion takes the form of a direct comparison of experimental results to elastic-plastic analyses, and attempts to clarify the role of material inertia and plasticity in the dynamic crack growth process. In addition the relation of crack growth criteria to micromechanical void growth models is considered.Potential problems in the analysis of data obtained by either direct optical measurements or numerical simulations of crack growth are presented. It is demonstrated that large errors in the velocity records caused by stress wave effects are a main source of uncertainty in the interpretation of experimental results.

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Résumé On présente et on discute certains aspects fondamentaux de la croissance dynamique d'une fissure dans des aciers de construction. La discussion prend la forme d'une comparaison directe des résultats expérimentaux à l'analyse élasto-plastique et tente de clarifier le rôle de l'inertie et de la plasticité du matériau dans le processus de croissance dynamique d'une fissure. On considère en outre la relation qui les critères de la croissance d'une fissure aux modèles micro-mécaniques de croissance des lacunes.On présente les problèmes potentiels que peuvent surgir dans l'analyse des données obtenues par des mesures directes optiques ou par des simulations numériques de la croissance d'une fissure. On démontre que des erreurs importantes dans les enregistrements de vitesse causées par des effets d'onde de contrainte sont la source principale d'incertitudes dans l'interprétation des résultats expérimentaux.

     

Effect of reflected stress waves on the stress intensity factor of an anti-plane strain edge crack during crack propagation and after crack arrest

Analytic solutions have been obtained for the stress intensity factor for a propagating and arresting anti-plane strain edge crack in a semi-infinite plate. Kostrov's analysis for this system has been used, and solutions have been obtained up to the time it takes for a stress wave emitted from the crack tip at the start of crack propagation to be reflected first from the edge of the plate, then from the crack tip, from the edge of the plate again and to arrive again at the crack tip. To simplify the analysis a constant velocity of crack propagation has been assumed. If the crack arrests before the arrival at the crack tip of a stress wave emitted from the crack tip at the start of propagation and reflected from the edge of the plate, the stress intensity factor remains constant after arrest until this stress wave arrives. The stress intensity factor then increases until the time of arrival of a reflected stress wave emitted at the instant of arrest. After this the stress intensity factor decreases again. If the crack arrests after the arrival of the first reflected stress wave, the stress intensity factor increases after arrest under the influence of reflected stress waves emitted earlier during the propagation of the crack. The changes in the stress intensity factor are more pronounced at higher crack velocities.

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Résumé Des solutions analytiques ont été obtenues pour le calcul du facteur d'intensité de contrainte relatif à une fissure de bord dans une plaque semi-infinie en cours de propagation ou en cours d'arrêt dans des conditions d'état anti-plan de contrainte. Une analyse de Kostrov appliquée à ce système a été utilisée et les solutions ont été obtenues jusqu'au moment où une onde de contrainte émise de l'extrémité de la fissure sur le point du démarrage de la propagation de la fissure se trouvent réfléchie en premier lieu par les bords de la plaque et ensuite par l'extrémité de la fissure, à nouveau par le bord de la plaque et revenant à nouveau à l'extrémité de la fissure. Pour simplifier l'analyse, une vitesse constante de propagation de fissure a été supposée. Si la fissure est arrêtée avant que l'onde de contrainte émise par l'extrémité de la fissure au démarrage de la propagation et après réflexion contre le bord de la plaque n'arrive à l'extrémité de la fissure, le facteur d'intensité de contrainte demeure constant après l'arrêt, jusqu'à ce que l'onde de contrainte arrive. Ensuite, le facteur d'intensité de contrainte augmente jusqu'au moment où arrive l'onde de réflexion émise au moment de l'arrêt de la fissuration. Ensuite le facteur d'intensité de contrainte se réduit à nouveau. Si la fissure s'arrête après l'arrivée du premier train d'ondes réfléchies, le facteur d'intensité de contraintes s'accroît jusqu'à l'arrêt, sous l'influence des ondes réfléchies émises précédemment au cours de la propagation de la fissure. Les changements de facteur d'intensité de contrainte sont plus prononcés lorsqu'augmente la vitesse de fissuration.

     

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.

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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.

     

An experimental investigation of mixed-mode fracture

In this paper, mixed-mode fracture is investigated experimentally. In the first part, critical conditions for initiation of crack growth are explored. The method of caustics was used in conjunction with a high speed video system to determine critical stress intensity factors at initiation of crack growth. It was found that the maximum tangential stress criterion originally proposed by Erdogan and Sih [1] was the best criterion in terms of predictive capability. Polymethylmethacrylate and Homalite-100 were used in the experiments and Homalite-100 was found to exhibit significant rate dependence. In the second part, crack growth initiated under mixed-mode loading is addressed. It is shown that subsequent slow crack growth in PMMA is under pure mode-I conditions.

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Résumé On étudie par voie expérimentale les ruptures selon un mode mixte. On explore, dans une première partie, les conditions d'amorçage de la croissance d'une fissure. En utilisant la méthode des caustiques en association avec un système vidéo à grande vitesse, on détermine les facteurs critiques d'intensité de contraintes correspondant à l'amorçage de la fissure. On trouve que le critère de contrainte maximum tangentielle, proposé à l'origine par Erdogan et Sih, est le meilleur en termes de capacité de prédiction. Pour les essais, on a utilisé du plyméthylméthacrylate et de l'Homalite-100, et on a trouvé que ce dernier matériau faisait état d'une sensibilité importante à la vitesse. La deuxième partie du travail est consacrée à la croissance d'une fissure sous un mode de sollicitations mixte. On montre que la propagation lente de la fissure dans le PMMA se produit sous des conditions de pur Mode I.

     

An experimental investigation into dynamic fracture: I. Crack initiation and arrest

Problems of dynamic crack propagation are examined experimentally in a series of four papers. In this paper, the first of this series, crack initiation and arrest are investigated in thin sheets of Homalite-100. It is found that as the rate of loading increases to as high as 10⁵ MPa/sec, the stress intensity factor required to initiate crack growth increases markedly. Crack arrest resulting from a simulated pressurized semi-infinite crack in an unbounded medium was found to occur abruptly. There was no continuous deceleration and the crack always stopped at a constant value of the stress intensity factor, which value was lower than the stress intensity factor required for quasi-static crack growth initiation.The second paper in this series deals with the occurrence of micro cracks at the front of the running main crack which control the rate of crack growth. The micro cracks are recorded by real time photography. By the same means it is shown that these micro cracks grow and turn away smoothly from the direction of the main crack in the process of branching.The third contribution establishes the hitherto unreported occurrence that cracks can propagate rapidly with constant velocity even though the stress intensity factor varies considerably during this propagation. This velocity is determined by the initial stress wave loading on the crack tip, and is changed, within limits, only by stress pulses of sufficient magnitude and brevity of rise time.The final paper in the series deals with the effect of stress waves on the behavior of running cracks, in particular with the influence of stress waves on the branching phenomenon. Also, crack curving under transient stress waves is examined.These results are believed to apply to materials other than Homalite 100 and the reasons for this belief are discussed in this first contribution.

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Résumé On passe en revue sous l'angle expérimental dans quatre articles les problèmes de propagation dynamique d'une fissure. Dans ce premier mémoire, on étudie l'amorçage et l'arrêt d'une fissure dans des feuillards d'Homalite 100. On trouve que lorsque la vitesse de sollicitation croit jusque 10⁵ MPa/sec, le facteur d'intensité de contrainte nécessaire au démarrage de la propagation de la fissure s'accroît de manière notable. L'arrêt de fissuration caractérisant une fissure semi-infinie supposée soumise à une pression dans un milieu non limité se produit brutalement. On n'observe pas de décélération continue et la fissure s'arrête pour une valeur constante du facteur d'intensité de contraintes, laquelle est inférieure à celle nécessaire à l'amorçage d'une croissance de fissure semi-statique.Le deuxième mémoire de cette série traite de l'apparition de microfissures sur le front de propagation de la fissure principale, et de leur rôle dans la vitesse de croissance d'une fissure. Les microfissures sont enregistrées par photographie en temps réel. On montre par la même méthode comment les microfissures croissent et s'écartent de la direction de propagation principale, dans un processus d'arborescence.La troisième contribution fait état d'un phénomène jusqu'ici non décrit, selon lequel des fissures peuvent se propager rapidement à une vitesse constante, même si le facteur d'intensité de contraintes varie de manière significative au cours de cette propagation.On détermine cette vitesse constante à partir de l'onde de choc initiale associée à la sollicitation de l'extrémité de l'entaille et one montre qu'elle ne peut être modifiée, dans certaines limites, que par des impulsions d'une amplitude et d'une accélération suffisante.Le dernier article de la série est relatif à l'effet des ondes de contraintes sur le comportement de fissures en cours de développement, et, en particulier à leur influence sur le phénomène d'arborescence. On examine également comment des fissures peuvent s'infléchir sous l'effet d'ondes de contraintes.Les auteurs pensent que ces résultats sont applicables à d'autres matériaux que l'Homalite 100. Les raisons de cette assertion sont discutées dans la présente contribution.

     

Stability and post-critical growth of a system of cooling or shrinkage cracks

When a system of parallel equidistant cooling cracks propagates into an elastic halfspace, it reaches at a certain depth of the cracks a critical point of instability, and the equilibrium path of the system bifurcates. Further extension of equally long cracks is unstable and impossible. The stable post-critical path consists of extension of every other crack upon further cooling, initially with a crack jump at constant temperature, while the intermediate cracks stop growing and gradually diminish their stress intensity factor until it becomes zero. This represents a second critical state at which these intermediate cracks suddenly close over a finite length at no change in temperature and at constant length of the leading cracks. Subsequently, as the cooling front further advances, the leading cracks grow at equal length until they again reach a critical state, at which every other crack stops growing, and the process in which the crack spacing doubles is repeated. In this manner, the spacing of the opened cooling cracks fluctuates around roughly the one-half value of the cooling penetration depth.The instability is determined by the sign of the second variation of the work needed to create the cracks, which leads to positive definiteness conditions for a matrix consisting of partial derivatives of the stress intensity factors with regard to crack lengths, subjected to admissibility conditions for the eigenvector of crack length increments. The first initial state of crack arrest is characterized by the vanishing of the diagonal element of the matrix, while the second critical state of crack closing is characterized by the vanishing of the determinant of this matrix.The critical states and the postcritical crack growth are calculated numerically by finite elements. The solution is applied to the cooling of a hot granite mass, the cracking of which is important for one recently proposed geothermal heat extraction scheme. The solution is also of interest for drying shrinkage cracks, especially in concrete.

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Résumé Lorsque un système de fissures équidistantes parallèles survenant lors d'un refroidissement se propage dans un demi espace élastique, il atteint à une certaine profondeur de fissuration un état critique d'instabilité et le chemin d'équilibre du système bifurque. Une extension ultérieure de fissures de longueurs égales se présente comme instable est impossible. Le chemin post-critique stable correspondra à une extension de toute autre fissure correspondant à un refroidissement ultérieur, et ce à l'origine avec un resaut de la fissure à temperature constante, tandis que les fissures intermédiaires cessent leur croissance et voient leur facteur d'intensité de contrainte graduellement diminuer jusqu'à la valeur nulle. Ceci correspond à un deuxième état critique pour lequel les fissures intermédiaires se ferment brusquement sur une longueur finie sans que ne se produise un changement de température, et à longueur constante des fissures principales. Par après lorsque le front de refroidissement continue d'avancer, les fissures principales croissent d'une longueur égale jusqu'à ce qu'elles atteignent à nouveau un état critique, état pour lequel les autres fissures cessent de croître et pour lequel le processus d'espacement des fissures est répété. De cette manière, l'espacement de fissures s'ouvrant lors du refroidissement fluctue autour d'une valeur correspondant sensiblement à la moitié de la valeur de la pénétration de refroidissement.L'instabilité est déterminée par le signe de la deuxième variation du travail nécessaire pour créer les fissures, ce qui conduit à des conditions positives non définies pour une matrice comportant les dérivées partielles des facteurs d'intensité d'entaille par rapport aux longueurs de la fissure, l'ensemble étant sujet aux conditions d'admissibilité de l'eigenvector pour des accroissement de longueurs de la fissures. Le premier état initial de l'arrêt de la fissure est caractérisé par la disparition de l'élément diagonal de la matrice tandis que le deuxième état critique de fermeture de la fissure est caractérisé par la disparition du déterminant de cette matrice.Les états critiques et la croissance post-critique de la fissure sont calculés de façon numérique par des éléments finis. La solution est appliquée au refroidissement d'une masse granitique à haute température dont la fissuration est importante, dans le cadre d'un schéma d'extraction de la chaleur géothermique proposé récemment. La solution est également intéressante à appliquer dans le cas de fissures procédant d'une contraction due au séchage, et ce en particulier dans le cas du béton.

     

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.

     

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.

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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.

     

Fatigue crack growth by crack tip cyclie plastic deformation: the unzipping model

A fatigue crack may propagate by the mechanism of crack tip cyclic plastic deformation, by the mechanism of fracture of brittle particles and embrittled grain boundaries,or, often, by a combination of both. Neutnann and Vehoff have made in situ observations of alternate shear decohhesions on two intersecting conjugate slip bands at a crack tip as the basic mechanism of fatigue crack growth. It is a mechanism by plastic deformation. A micro-mechanism based finite element model is made to simulate the unzipping process of the crack tip shear decohesion mechanism. The calculated crack growth rates by the finite element model agree very well with the measured rates in the intermediate K region of a number of materials

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Résumé La propagation d'une fissure de fatigue peut être due au mécanisme de déformation plastique cyclique de l'extrémité de la fissure, au mécanisme de rupture de portions fragiles et de frontières de grains fragilisées ou, souvent, à une combinaison de ces deux mécanismes.Neumann et Vehoff ont procédé à des observations in situ des décohésions par cisaillement alterné dans deux bandes de glissement s'intersectant à l'extrémité d'une fissure, et ont décrit ce mécanisme par déformation plastique comme un mécanisme de base de la propagation d'une fissure de fatigue.En vue de simuler le processus d'ouverture qui régit le mécanisme de décohésion par cisaillement à l'extrémité dame fissure, on élabore un modèle par éléments finis basé sur un mécanisme à échelle microscopique. On trouve que les vitesses de propagation d'une fissure calculées grâce à ce modèle par éléments finis sont en très bon accord lvee les vitesses mesurées dans la zone des K intermédiaries et pour plusieurs matériaux.

     

The interaction between a crack and a dislocation dipole

This paper presents the results of an analysis which considers the interaction between a semi-infinite crack and a dislocation dipole. Applying the operator derived by Denda [1] to the crack/dislocation interaction solution developed by Lo [2], explicit expressions are obtained for the stress intensity factors at the tip of the crack. Results are computed and discussed for a variety of geometrical configurations, with the intent of developing an understanding of the effects of position and orientation of the dislocation dipole on crack tip shielding and antishielding. The solution can be used as a Green's function in semi-empirical analyses such as the one proposed by Chudnovsky [3], where the interaction between a crack in a polymeric material and the damage (crazing) which surrounds it is solved by experimentally measuring the crack opening displacements of the crazes and calculating the amount of toughening caused by the damage.

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Résumé On présente les résultats d'une analyse prenant en compte l'interaction entre une fissure semi-infinie et une paire de dislocations. En appliquant un opérateur dû à Denda à la solution d'interaction fissure/dislocation proposée par Lo, on obtient des solutions explicites pour les facteurs d'intensité de contraintes à l'extrémité de la fissure. Les résultats sont calculés et discutés pour une gamme de configurations géométriques, dans le but de développer une intelligence des effets de la position et de l'orientation de la paire de dislocations sur l'effet de couverture ou de non-couverture à l'extrémité de la fissure. La solution peut être utilisée sous la forme d'une fonction de Green dans les analyses semi-empiriques telles que celles proposées par Chudnovsky, où l'interaction entre une fissure dans un matériau polymère et l'endommagement (criques) qui l'environne est résolue par une mesure expérimentale des COD des criques et par le calcul de l'intensité du durcissement associé à l'endommagement.