Unstable fracture criterion in a power-law hardening material

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

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

     

The exact shape of a deformed internal slant crack under biaxial loading

A theoretical investigation has been performed to determine the exact geometrical features of an inclined, biaxially loaded, crack in an infinite elastic plate. It has been shown that the shape of the deformed Griffith crack, as this follows from the exact linear elastic displacement field at the lips of the crack, is always an ellipse in opposition to the singular and two-term solutions which give a parabolic shape for the deformed lips of the crack. The combined effect of the mode of loading, the load biaxiality and the crack orientation on the lengths of the semiaxes of the ellipse, and the orientation of its major axis with respect to the initial crack was studied in detail. It is also shown that in general the positions of the initial crack tips after deformation on the curve of the ellipse do not coincide with the points of the maximum curvature of the ellipse. The case, where the ellipse presents overlapping lips and where the elastic solution becomes invalid, has been examined and the configurations of the problem-parameters for which this phenomenon happens has been established.These important features of the deformed shape of the loaded crack may have a considerable influence on the mode of loading and the behaviour in yielding and fracture of the cracked bodies.

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Résumé On a procédé à une étude théorique en vue de déterminer les caractéristiques géométriques exactes d'une fissure inclinée et sollicitée en biaxialité dans une plaque élastique infinie. Ainsi qu'il résulte du champ de déplacements élastiques linéaires aux lèvres de la fissure, on a montré que la forme d'une fissure de Griffith déformée est toujours une ellipse. Ceci est en opposition avec les solutions singulières et en deux termes, qui attribuent aux lèvres déformées de la fissure une forme parabolique. On a étudié en détail l'effet combiné du mode de mise en charge, de sa biaxialité et de l'orientation de la fissure sur la longueur des demi-axes de l'ellipse, ainsi que sur l'orientation de l'axe principal par rapport à la fissure initiale.On a également montré que, en général, les positions après déformations des extrémités de la fissure initiale sur l'ellipse ne coïncident pas avec les points de courbure maximum de l'ellipse. On a examiné le cas où la fissure présente des lèvres qui se recouvrent, et où la solution élastique n'est plus valable, et on a établi les configurations des paramètres du problème pour lesquelles ce phénomène se produit.Ces caractéristiques importantes de la déformation d'une fissure sous sollicitation peuvent avoir une influence déterminante sur le mode de sollicitation et sur le comportement à l'écoulement plastique ou à la rupture des corps fisurés.

     

Analysis of mixed mode fracture and crack closure using the boundary integral equation method

A multi-domain boundary integral equation method, employing an isoparametric quadratic representation of geometries and functions, is developed for the analysis of two-dimensional linear elastic fracture mechanics problems. The multi-domain approach allows the two faces of a crack to be modelled in independent sub-regions of the body, avoiding singularity difficulties and making it possible to analyse crack closure problems with contact stresses over part of the cracked faces. Problems solved include slanted cracked plate mixed mode and crack closure examples, also crack closure situations involving fully reversed bending of an edge cracked strip, both with and without a superimposed tensile loading.

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Résumé Pour analyser les problèmes de mécanique de rupture linéaire et élastique en deux dimensions, on a développé une formulation sur plusieurs domaines de la méthode d'équation intégrale aux limites, en recourant à une représentation quadratique isoparamétrique des géométries et des fonctions.L'approche multidomaine permet de modéliser les deux faces d'une fissure dans des sous-régions indépendantes, ce qui évite des difficultés de singularité, et rend possible l'analyse des problèmes de fermeture d'une fissure avec des contraintes de contact agissant sur une partie des faces de la fissure.Les problèmes auxquels on trouve solution sont notamment la plaque fissurée sur un bord et sollicitée suivant un mode mixte, avec aussi fermeture de la fissure, ou des situations de fermeture de fissure où se trouve une bande fissurée sur un de ses bords et soumise à flexion complète réversible, avec ou sans sollicitations de traction

     

The opening and closing of a growing crack in a linear viscoelastic body that is subject to alternating tensile and compressive loads

To a degree greater than their elastic counterparts, physically realistic problems for cracked viscoelastic bodies are subject to difficulties arising from the facts that cracks may extend with time and that boundary conditions may not be definitely known until the problem is solved. We have considered a problem for a single Griffith crack in an infinite viscoelastic body that is under the influence of prescribed normal stress acting at infinity normal to the plane of the crack. If, at some instant of time, the crack is not entirely open or entirely closed it is assumed to be open on a symmetric interval of radius b(t) about its center and closed in an annular region surrounding that symmetric interval. Then if the crack is assumed to be strictly extending whenever it is entirely open, it is shown (by using the physical condition that the stresses should be finite except at the crack end) to be always either entirely open or entirely closed. Also, formulae and other information on the stresses and displacements in the body are presented and comparison is made with the case of a crack of constant length.

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Résumé Bien davantage encore que les problèmes élastiques qui sont leur contre-partie, les problèmes associés à la physique réaliste des corps viscoélastiques fissurés sont sujets à des difficultés résultant du fait que les fissures peuvent s'étendre en fonction du temps et que les conditions aux frontières peuvent n'être définitivement connues avant la solution du problème. Nous avons considéré un problème d'une fissure simple de Griffith dans un corps viscoélastique infini sous l'influence de tensions normales prescrites agissant à l'infini, normalement au plan de la fissure. Si à quelque instant, la fissure n'est pas entièrement ouverte ni entièrement fermée, on suppose qu'elle s'ouvre sur un intervalle symétrique de rayon b(t) autour de son centre et qu'elle se ferme sur une région annulaire entourant cet intervalle symétrique. Dès lors, si la fissure est supposée être strictement en cours d'extension chaque fois qu'elle est entièrement ouverte, on montre (en utilisant la condition physique que les contraintes doivent être finies partout à l'exception du sommet de la fissure), que la fissure est toujours soit entièrement ouverte soit entièrement fermée. On présente également les formules et d'autres informations sur les contraintes et les déplacements dans le corps et on effectue une comparaison avec le cas d'une fissure présentant une longueur constante.

     

Crack propagation due to indentation with constant speed

This paper is concerned with the propagation of a surface crack in a brittle solid induced by the indentation of a sharp wedge into the crack under constant speed. The analysis is based on a double-cantilever-beam model. Only the shear deformation of the cantilever is considered. Griffith concept of the balance of energy is used as the fracture criterion. It is found that crack propagation begins when the shear wave front is at the tip of the initial crack. During crack propagation, the crack speed remains constant with finite jumps at those moments when the shear wave front reaches the tip of the running crack. The results obtained by the dynamic analysis agree approximately with those derived from a quasi-static analysis.

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Résumé Le mémoire est relatif à la propagation d'une fissure superficielle dans un corps fragile sous l'effet de la pénétration d'un coin aigu dans la fissure à une vitesse constante. L'analyse du problème est basée sur un modèle en double poutre cantilever, où l'on ne considère que les déformations de cisaillement. Le critère de rupture utilisé est le concept de Griffith d'équilibre des énergies.On trouve que la propagation de la fissure débute lorsque le front d'onde de cisaillement atteint l'extrémité de la fissure initiale. Au cours de sa propagation, la fissure atteint une vitesse qui demeure constante, quoique comportant des ressauts d'amplitude finie chaque fois que le front d'onde de cisaillement atteint l'extrémité de la fissure en mouvement.Les résultats obtenus par une analyse dynamique sont en accord approximatif avec ceux que l'on obtient par une analyse quasistatique.

     

Predicting the growth rate of a three-dimensional stress corrosion crack

Earlier work by the author has focussed on the prediction of the growth rate of a stress corrosion crack at high stress levels, where linear elastic fracture mechanics (LEFM) conditions are not operative. The basis of the methodology is to correlate the crack tip opening angle with the crack growth rate, using the experimentally determined linear elastic fracture mechanics relation between the crack tip stress intensity K and growth rate, and then assume that the same correlation is valid when LEFM conditions are not operative. The methodology has already been applied to a wide range of two-dimensional situations, the effects of loading pattern (displacement or load control) and geometrical parameters being studied. In practice, however, stress corrosion cracks are often three-dimensional. For ease of analysis it is tempting to consider the growth of such a crack into the component thickness, by assuming that the crack is two-dimensional. By investigating the growth of a penny-shaped crack in a solid subject to a tensile stress, and comparing the results with those for the analogous two-dimensional problem, this paper shows that a two-dimensional analysis can give overly conservative growth rate predictions if it is applied to the growth of a three-dimensional crack.

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Résumé Un travail précédent de l'auteur a été centré sur la prédiction de vitesse de croissance d'une fissure de corrosion sous tension sous des niveaux élevés de contrainte, et dans des conditions où la mécanique linéaire et élastique de la rupture n'était pas applicable. La base de la méthodologie considérée est de mettre en corrélation l'angle d'ouverture de l'extrémité de la fissure avec la vitesse de croissance de cette fissure, en recourant à une relation expérimentale de mécanique de rupture linéaire et élastique entre le facteur d'intensité de contrainte à la pointe de la fissure et al vitesse de croissance. On suppose ensuite que la même corrélation est applicable lorsque les conditions propres à la mécanique linéaire et élastique ne sont pas remplies. Cette méthodologie a déjà été appliquée à une gamme étendue de situations bidimensionnelles, avec une étude des effets du spectre de sollicitations (contrôle des déplacements ou des charges) et des paramètres géométriques. II se trouve néanmoins qu'en pratique les fissures de fissuration par corrosion sous tension sont souvent tridimensionnelles. Pour simplifier l'analyse, on a tenté de considérer que la croissance de telles fissures s'effectue suivant l'épaisseur de la pièce, et que la fissure est supposée à deux dimensions. L'étude de la croissance d'une fissure en ongle dans un solide sous l'influence d'une contrainte de traction, et la comparaison des résultats avec ceux que l'on obtient dans un problème bidimensionnel analogue, montrent que l'analyse bidimensionnelle de la croissance d'une fissure donne des prédictions de croissance conservatoires lorsqu'elle est appliquée à l'ðude de la croissance de fissures à trois dimensions.

     

Design using elastic-plastic fracture mechanics

Current usage of COD and proposed usage of J in the design of structures experiencing significant plasticity are examined in the light of data from test piece geometries in which uncontained yielding occurs ahead of the crack tip, at general yield. This behaviour is contrasted with several 2D structural models of cracks at holes in plates or in thick walled cylinders. In the structural situations, plasticity ahead of the crack is normally contained by an outer elastic field and in these circumstances estimates of J based on LEFM with plastic zone correction are adequate. Only when plasticity ahead of the crack is uncontained, as for buried or part through cracks with shallow remaining ligaments, is a plasticity estimate of J necessary.

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Résumé En se basant sur des données résultant de géométries de pièces d'essai pour lesquelles se produit un écoulement plastique non contrôlé en avant de l'extrémité d'une fissure lors du passage de la déformation plastique généralisée, on examine l'utilisation courante qui est faite du COD et l'utilisation que l'on se propose de faire de l'intégrale J dans la conception des structures où se produit une déformation plastique significative. Ce comportement est mis en contraste avec différents modèles structurels de fissure à deux dimensions se produisant au bord de trous dans des tôles ainsi que dans des cylindres à paroi épaisse. Dans une construction, la plasticité en avant d'une fissure est généralement contenue dans un champ élastique qui entoure cette zône plastique et, sous ces circonstances, les estimations de J basées sur la théorie linéaire élastique de la mécanique de la rupture élastique sont adéquates. Ce n'est que lorsque la plasticité en avant de la fissure n'est pas contenue, telle que dans des fissures traversantes avec des ligaments demeurant ouverts, qu'une estimation de J basée sur la plasticité s'avère nécessaire.

     

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.     

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.

     

Plastic extension of a shear crack inside a circular inclusion

The plastic relaxation of a shear crack situated at the interface inside a circular inclusion in an infinite matrix has been analyzed by treating it as a double pile-up of screw dislocations and the plastic zones at either tip of the crack as giant screw dislocations. The ratio of applied stress to yield stress and the magnitude of the Burgers vector of the giant screw dislocations which represent the relative displacement of the crack faces at the tips have been related to the crack parameters. Using a critical relative displacement of the crack faces at the tip of the crack as the criterion for brittle extension of the crack, the tendency of the shear crack to extend into the inclusion or into the matrix has been determined. The effect of shear modulus and size of the inclusion on the behaviour of the plastic zones at either tip of the crack has been discussed. Conclusions are made on the fracture behaviour of a circular inclusion in an infinite matrix.

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Résumé On a analysé la relaxation plastique d'une fissure de cisaillement située à l'interface d'une inclusion circulaire dans une matrice infinie en traitant cette fissure comme un double empilement de dislocation-vis, et les zônes plastiques à chacune de ses extrémités comme des dislocations-vis géantes. On a mis en relation avec les paramètres de la fissure le rapport de la contrainte appliquée à la limite d'écoulement, et la grandeur du vecteur de Burgers des dislocations-vis géantes, qui représente le déplacement relatif des faces de la fissure à ses extrémités.En utilisant comme critère d'extension fragile de la fissure un déplacement relatif critique des faces de la fissure à ses extrémités, on a pu déterminer si la fissure de cisaillement avait tendance à se développer dans l'inclusion ou dans la matrice.On discute l'influence du module de cisaillement et de la dimension de l'inclusion sur le comportement des zônes plastiques à chaque extrémité de fissure.On tire des conclusions sur le comportement à la rupture d'une inclusion circulaire dans une matrice infinie.

     

Creep crack growth by grain boundary cavitation: crack tip fields and crack growth rates under transient conditions

Transient creep crack growth due to grain boundary cavitation, and under plane strain and small scale creep conditions, is investigated. Full account is taken of the finite geometry changes accompanying crack tip blunting and the material is characterized as an elastic-power law creeping solid with an additional contribution to the creep rate arising from a given density of cavitating grain boundary facets. All voids are assumed present from the outset, distributed on a given density of cavitating grain boundary facets. Our analyses show the competing effects of stress relaxation due to creep, diffusion and crack tip blunting, and the stress increase due to crack growth. Another outcome of our analyses is the crack growth rate under various conditions of loading and for various values of material properties and for various characterizations of the failure process. Prior to crack growth, Hutchinson-Rice-Rosengren type singular fields dominate over the crack tip region, outside of a finite strain zone that has dimensions of the order of the crack opening displacement. These singular fields scale with the path integral C(t), which to a good approximation decays as K _I ²/t, with t being the elapsed time since load application and K _Ithe imposed stress intensity factor. When the crack growth rate is faster than the growth rate of the creep zone, our finite element results show that Hui-Riedel singular fields dominate over the crack tip region and the magnitude of the Hui-Riedel fields scales with the crack growth rate. For a crack that grows more slowly than the creep zone, Hutchinson-Rice-Rosengren type fields dominate over the crack tip region. In these circumstances, the crack growth rate is found to scale as C(t) to a power. Regardless of which of the two singular fields dominates for the growing crack, finite strain effects are found to be significant over a size scale of the order of the crack opening displacement at crack growth initiation. The effect of increased mesh refinement is also considered and very little mesh dependence is found.

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Résumé On étudie la croissance d'une fissure en fluage transitoire, associée à la cavitation aux frontières des grains, sous des conditions d'état plan de déformation et de fluage à petite échelle. On tient compte des modifications finies de géométrie accompagnant l'arrondisement de l'extrémité de la fissure, et le matériau suit une loi de fluage elasto-parabolique, avec une contribution additionnelle à la vitesse de fluage venant d'une densité donnée de facettes de joints de grains comportant de la cavitation. On suppose que toutes les cavités sont présentes dès le début, et qu'elles sont distribuées selon une densité déterminée de ces facettes. L'analyse montre les effets rivaux d'une relaxation des contraintes associée au fluage, à la diffusion et à l'arrondisement des extrémités de fissure, et d'une augmentation de contraintes due à la croissance de fissure. Un autre résultat de l'analyse est l'établissement de la vitesse de croissance de la fissure sous diverses conditions de mise en charge, pour diverses valeurs des propriétés du matériau, et pour divers modes de caractérisation du processus de rupture. Avant croissance de la fissure, ce sont des champs singuliers de type Hutchinson-Rice-Rosengren (HDR) qui prédominent sur la région de l'extrémité de la fissure, à l'extérieur d'une zone de déformations finies dont la taille est de l'ordre de grandeur du COD. Ces champs singulier sont proportionnels à l'intégrale de parcours C(t) laquelle, avec une bonne approximation, s'atténue en fonction de K _I ²/t, où t est le temps qui s'est écoulé depuis la mise en charge et K _Ile facteur d'intensité de contraintes imposés. Lorsque la vitesse de croissance de la fissure dépasse la vitesse de croissance de la zone en fluage, les résultats de l'analyse par éléments finis montre que ce sont les champs singuliers de Hui-Riedel qui prédominent sur la zone de l'extrémité de la fissure, et que l'amplitude de ces champs est proportionnelle à la vitesse de croissance de la fissure. Pour une fissure qui croit moins vite que la vitesse de fluage, es champs de type HRR sont prédominants et on trouve que la vitesse de croissance de la fissure est proportionelle C(t) à une certaine puissance. Quel que soit le type de champs singulier qui détermine la croissance de la fissure, on trouve que les effets de déformation finies sont significatifs sur une échelle de dimension de l'ordre du COD à l'amorçage de la fissuration. On considère également l'effet d'un affinage plus important du réseau, et l'on trouve me très faible dépendance par rapport à ce paramètre.

     

Stress intensity factors for a semi-elliptical crack in the surface of a semi-infinite solid

The stress intensity factors are presented for a vertical semi-elliptical surface crack in an elastic semi-infinite body which is subjected to a constant pressure on the crack surface. The approach utilizes a singular integral equation which is defined over the crack area only, where the weakness of the stress singularity is taken into account near the corner points at which the crack periphery intersects the surface of the semi-infinite body.This pertinent approach provides the proper assessment of the stress intensity factors in the vicinity of the corner points, and reveals that the stress intensity factor reaches a maximum value near the corner point and then decreases to zero as the point is approached.

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Résumé On présente les facteurs d'intensité de contrainte pour une fissure de surface verticale semi-elliptique dans un corps élastique semi-infini soumis à une pression constante sur la surface de la fissure. L'approche utilisée recourt à une intégrale singulière définie uniquement sur la superficie de la fissure, où l'on prend en considération l'affaiblissement de la singularité des contraintes au voisinage des points où la périphérie de la fissure est en intersection avec la surface du corps semi-infini.Cette approche permet d'obtenir les facteurs d'intensité de contrainte au voisinage des points considérés et révèle que le facteur d'intensité des contraintes passe par un maximum en ceux-ci et décroît vers zéro lorsqu'on s'en éloigne.

     

A damage model for creep crack growth

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

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

     

Nonlinear effects in mixed-mode interfacial delaminations

The initiation of coplanar, interfacial cracks is considered with a view to examining mixed-mode fracture parameters and criteria. The point-loaded blister configuration provided a simple axisymmetric geometry and table crack growth between glass and an epoxy. Crack opening displacements normal to the interface were measured with submicron resolution using crack opening interferometry. The measurements were made within 2.7 m from the crack front over a field of view of 500 m, thus allowing the extent of inelastic behavior to be evaluated. A complementary finite element analysis was used to determine tangential crack opening displacements and other linear elastic mixed-mode fracture parameters, all of which were found to increase with relative increases in mode II component. The results were attributed to related increases in the extent of material nonlinear behavior in the crack front region. The normal crack opening displacement fields in the plastic zone exhibited a power law dependence on radial distance from the crack front. Critical values of normal crack opening displacements evaluated at a distance of 12.7 m from the crack front were not constant under the range of mixed-mode conditions examined, indicating that any fracture criterion is likely to be a function of the mode-mix for the particular material combination considered here.

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Résumé On considère l'amorçage de fissures coplanaires et d'interfaces en vue d'un examen des critères et des paramétres de rupture selon un mode mixte. La configuration en cupules soumises à charge ponctuelle fournit une géométrie axysymétrique simple et des conditions de croissance stable d'une fissure entre du verre et un epoxy. En utilisant une technique d'interférométrie à l'endroit d'ouverture de la fissure, on mesure les COD selon la normale a l'interface avec une résolution submicronique. Les mesures ont été effectuées sur 12,7 microns depuis le front de la fissure, sur un champ d'expérience de quelque 500 microns, ce qui permet d'évaluer l'étendue du comportement inélastique. On utilise une analyse complémentaire par éléments finis pour déterminer les COD tangentiels, ainsi que d'autres paramètres de rupture selon une mode linéaire élastique mixte; tous ces paramètres sont identifiés comme croissant avec une augmentation relative de la composante de mode II. Les résultats sont appliqués aux accroissements associés constatés dans l'étendue du comportement non linéaire du matériau dans la zone du front de fissure. Les champs normaux de COD dans la zone plastique suivent une loi parabolique en fonction de la distance qui les sépare radialement du front de fissure. Les valeurs critiques du COD selon la normale, évalués à une distance de 12,7 microns à partir du front de fissure ne sont pas constantes sur une certaine gamme de conditions en mode mixte examinées, ce qui indique que tout critère de rupture est sans doute fonction de la combinaison des modes, pour la combinaison particulière de matériaux envisagée dans le présent travail.

     

Fatigue growth threshold of small cracks

The effects of grain size and crack length on the threshold condition of fatigue growth of small cracks are analysed both theoretically and experimentally. The theoretical model is based on the assumption that the threshold condition is determined by whether the crack-tip slip band blocked by the grain boundary propagates into an adjacent grain or not. By comparing the model analysis with the experiments of mild steel, it was found that the threshold stress estimated from the fatigue limit of the smooth specimen gave the effective components of the applied stress. When the threshold stress normalized by the fatigue limit of the smooth specimen was correlated to the crack length normalized by a certain crack length, the theoretical relation was found to agree well with the experimental data. From a further analysis of the published data of various materials, the theoretical normalized relation was found to give a lower bound of the threshold values of the stress and the stress intensity factor. A deviation from the theoretical relation seen in the cases of hard metals was explained through an extension of the model by regarding that hard metals contained initial, inherent flaws even in the smooth specimen.

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Résumé On analyse d'une manière théorique et d'une manière expérimentale les effets de la taille du grain et de la longueur d'une fissure sur la condition critique de croissance par fatigue de petites fissures. Le modèle théorique est basé sur l'hypothèse que la condition critique est déterminée par la condition suivant laquelle une bande de glissement à l'extrémité de la fissure bloquée par une limite de grain se propage dans un grain adjacent ou non. En comparant le modèle analytique avec des essais sur de l'acier doux, on a trouvé que la contrainte critique estimée pour la limite de fatigue dans le cas d'éprouvettes sans entaille fournissait la composante effective de la contrainte appliquée. Lorsque la contrainte critique ramenée à la limite de fatigue d'éprouvettes sans entaille a été corrélée avec la longueur de fissure correspondante ramenée à une certaine longueur de fissure, la relation théorique a été trouvée en bon accord avec des données expérimentales. D'une analyse complémentaire des données publiées dans le cas de matériaux divers, on a trouvé que la relation théorique standard donnait une limite inférieure des valeurs critiques de la contrainte et du facteur d'intensité des contraintes. Une déviation par rapport à la relation théorique a été trouvée dans le cas de matériaux durs; cette déviation est expliquée par une extension du modèle, en considérant que des métaux durs comportent des défauts initiaux inhérent à la structure même dans le cas d'éprouvettes sans entaille.

     

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 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.

     

Fatigue crack layer propagation in polystyrene—Part I experimental observations

Fatigue crack propagation experiments performed on thin, single edge notched, polystyrene specimens show that during slow crack propagation, an intensive zone of crazing surrounds and precedes the propagating crack. The system of the crack and the craze zone constitute a crack layer (CL). The part of the CL ahead of the crack tip, where crazing accumulates prior to CL growth, is called the active zone. The width of the active zone is found to increase by almost an order of magnitude during slow CL propagation. Fractographic analysis reveals two types of discontinuous crack growth bands: multicycle bands and single cycle bands. The point of transition from multicycle to single cycle bands is established and used to extract crack speed from fracture surface markings. The experimental results demonstrate that fracture propagates by the translation, isotropic expansion and distortion of the active zone. Analysis of craze distribution within the active zone reveals that the craze density decreases away from the crack. A considerable difference in the critical energy release rates is observed in specimens fatigued under different loading levels. This is attributed to the difference in the density of crazes at the critical crack tip.

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Résumé Des expériences de propagation de fissure de fatigue effectuées sur des éprouvette de polystyrène minces à simple entaille latérale, montrent que, au cours d'une propagation lente d'une fissure, une zone importante de crazing précède ete entoure la fissure. Le système de la fissure et de la zone de crazing constitue une couche fissurée CF. La portion de la CF qui précède l'extrémité de la fissure est dénommée la zone active, où s'accumule le crazing avant croissance de la CF. On trouve que la largeur de la zone ative s'accroit d'à peu près un ordre de grandeur au cours de la propagation lente de la CF. L'analyse fractographique révèle deux types de bandes révélatrices de la croissance de la fissure: des bandes correspondant à plusieurs cycles et des bandes correspondant à un seul cycle. On établit le point de transition entre ces deux types de bandes, et on en fait usage pour déduire la vitesse de la fissure à partir des indications émanant de la surface de la rupture. Les résultats expérimentaux démontrent que la rupture se propage par translation, par expansion isotrope et par distorsion de la zone active. L'analyse de la distribution du crazing dans la zone active révèle que la densité du crazing décroit lorsqu'on s'éloigne de la fissure. Une différence considérable de vitesse critique de relaxation de l'énergie est observée dans des éprouvettes sollicitées en fatigue à des niveaux de sollicitation distincts. Ceci est attribué aux différences de densité de crazing à l'extrémité critique de la fissure.

     

The stress intensity factor of a crack emanating from a circular hole in a finite plate by boundary collocation method

The problem of a finite plate containing a circular hole with a crack subjected to a uniform remote stress is analysed by boundary collocation method. For an infinite plate with dimensions large in comparison with the crack length and the radius of the hole, the stress intensity factor (SIF) values calculated by this method coincide very well with the existing solution. Numerical results of the SIF values are obtained for varying crack-length-to-hole-radius ratios, l/r, and equivalent crack-length-to-plate-width ratios, a/b. The analysis for finite plates can provide useful results for practical applications.

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Résumé On analyse par la méthode de collocation des limites le problème d'une plaque finie comportant un trou circulaire avec une fissure, soumis à une contrainte uniforme appliquée à une certaine distance. Dans le cas d'une plaque infinie et de grandes dimensions par rapport à la longueur de la fissure et le rayon du trou, les valeurs du facteur d'intensité de contraintes calculées à l'aide de cette méthode coincident bien avec la solution existante. On obtient des résultats numériques du facteur d'intensité de contrainte pour différents rapports l/r de la fissure sur le rayon du trou, et pour les rapports a/b de la longueur de fissure équivalente sur la largeur de la plaque. L'analyse relative à des plaques finies peut fournir des résultats utiles à des applications pratiques.

     

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.