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

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

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

     

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

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

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

     

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.

     

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.

     

The mechanics of a constantly growing crack in an elastic power-law creeping material

The mechanics of transient crack growth in an elastic power-law creeping material is investigated using the special case of a suddenly growing crack with constant growth rate \.a ₀. Small scale yielding assumption is assumed to be valid at the instant when crack growth occurs. The analysis is carried out for the case of antiplane shear mode III and plane strain mode I. The resulting transient stress field for small crack extension is analyzed using perturbation methods. For small crack extension, the HR field, the RR field and the elastic K field coexist near the crack tip, one inside another. The regions of dominance of these near tip fields are estimated and an approximate solution is provided for the near tip stresses. The effect of crack growth rate on the small scale yielding condition is also studied. For large crack extension, it is shown that creep relaxation can be neglected and results of steady state analysis can be modified to describe the near tip stress fields. Extension of these results to more general crack growth histories is also discussed

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Résumé On étudie le mécanisme de la croissance d'une fissure en phase transitoire dans un matériau élastique satisfaisant une loi de fluage de forme parabolique, en considérant le cas particulier d'une fissure en croissance soudaine suivant une vitesse de croissance constante a₀.On suppose valide l'hypothèse de la déformation plastique à petite échelle, au moment où la fissure s'étend. L'analyse est effectuée pour un cisaillement antiplanaire (Mode 3) et pour un état plan de déformation (Mode 1). En utilisant la méthode des perturbations, on calcule le champ de tensions transitoires associé à une petite extension de la fissure. Pour ce cas, le champ HR, le champ RR et le champ élastique K coexistent, l'un dans l'autre, près de l'extrémité de la fissure. On évalue les régions où dominent ces champs et on propose une solution apportée pour les contraintes au voisinage de l'extrémité de la fissure. On étudie également l'effet de la vitesse de croissance de la fissure sur la condition d'écoulement plastique à petite échelle. Pour de grandes extensions de fissure, on montre que la relaxation par fluage peut être négligée, et que les résultats de l'analyse de régime stable peuvent être modifiés pour décrire les champs de contrainte au voisinage de l'extrémité de la fissure. On discute également l'extension de ces résultats à des histoires de croissance de fissure de caractère plus général

     

Consideration of primary creep at a stationary crack tip: Implications for the C t parameter

A finite element creep analysis of a center crack specimen has been carried out under small scale to extensive creep conditions. The crack was assumed to be stationary. Several constitutive models were used; these consisted of elastic, power-law creep with and without rate-independent plasticity, as well as one which also included primary creep. The mechanics basis of the C _t parameter, which has been proposed for correlating creep crack growth behavior under conditions ranging from small scale to extensive creep, is explored.For the aforementioned specimen geometry, consideration of primary creep seems to explain the differences between the measured and previously calculated load line deflection rates based on power-law creep only. It is also concluded that in small scale creep, C _t does not characterize the instantaneous crack tip singular stress field, but it accurately characterizes the rate of expansion of the crack tip creep zone regardless of whether primary or secondary creep is occurring. This result provides a rationale for using C _t to correlate creep crack growth rates even in the presence of significant primary creep deformation.

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Résumé On a procédé à une analyse par éléments finis du fluage d'une éprouvette comportant une fissure centrale, sous des conditions allant du fluage à petite échelle jusqu'à un fluage important. On suppose que la fissue est stationaire. Divers modèles ont été utilisés, à savoir la loi de fluage élastique ou parabolique, avec ou sans plasticité indépendante de la vitesse, ainsi qu'une loi incluant également le fluage primaire. On a étudié la base mécanistique du paramètre C _t, proposé pour relier le comportement de la croissance de la fissure de fluage sous des conditions entraînant un fluage depuis une petite échelle jusqu'à une grande échelle.Pour la géométrie citée, les différences entre les vitesses de variation de la courbe de la charge, mesurées et précédemment calculées en se basant sur la seule loi parabolique de fluage, semblent applicables par la prise en considération du fluage primaire. On conclut également que lors de fluage à petite échelle, C _t ne caractérise pas le champ singulier de contraintes instantanées à l'extrémité de la fissure, mais plutôt, et de maniére sûre, la vitesse d'extension de la zone de fluage à l'extrémité de la fissure, qu'il y ait fluage primaire ou fluage secondaire. Ce tésultat fournit une base d'utilisation de C _t pour connaître les vitesses de croissance d'une fissure de fluage, même en présence d'une déformation de fluage primaire significative.

     

Creep crack growth in ductile,creep-resistant steels

Creep crack growth in two of the commonly used creep-resistant ferritic steels was investigated. Both steels were tested in the as-processed condition and after many years of service in electric power plants. The test temerature was 540°C (in one case also 500°C and 565°C) and test durations ranged from a few days to a year. In 1/2Cr-1/2Mo-1/4V steel, crack growth occurred intergranularly by grain boundary cavitation, while 21/4Cr-1Mo steel also exhibited transgranular growth. The deformation behavior of CT specimens was analyzed in detail. It was found that for typically 20 percent of the lifetime, the instantaneous elastic-plastic strains and, more importantly, primary creep determine the deformation response. The evolution of the crack length parallels that of the load-line deflection: Initially, the crack grows relatively fast, decelerates until a steady growth rate is reached, and finally accelerates due to the increasing stress intensity at the longer crack. This behavior can be described reasonably accurately by models for creep crack growth taking into account the elastic-plastic transient and primary creep. It is demonstrated that the C _t parameter correlates crack growth rates during the transients, whereas C ^* becomes the appropriate load parameter during steady-state creep. However, C ^* fails to describe crack growth in single-edge notched tension specimens with shallow cracks. This is tentatively ascribed to excessive crack-tip blunting and other geometry changes. Unloading and reloading frequently leads to accelerated crack growth.

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Résumé On a étudié la croissance de fissures de fluage dans deux des aciers ferritiques résistant au fluage les plus communément utilisés. Les deux matériaux ont été essayés à l'état de livraison et après plusiers années de service en centrale électrique. La température d'essais était de 540°C (avec, dans un cas, des valeurs de 500°C et 565°C) et la durée d'essais variait de quelques jours à une année. On a constaté que dans l'acier au 1/2 Cr-1/2Mo-1/4V, la fissure s'est propagée entre les grains par un phénomène de cavitation aux joints de grain. Par contre, l'acier 2 1/4 Cr 1 Mo a fait également état d'une croissance transgranulaire de la fissure. En analysant dans le détail le comportement à la déformation d'éprouvettes CT, on a trouvé que, sur une période de temps typiquement égale à 20% de la durée de vie, la réponse à la déformation est déterminée par les déformations élasto-plastiques instantanées, et, surtout, par le fluage primaire. La longueur de la fissure suit une évolution parallèle à la courbe d'évolution de la charge. A l'origine, la croissance de la fissure est relativement rapide, puis elle ralentit jusqu'à atteindre une vitesse constante, pour enfin accélérer à nouveau en raison l'accroissement de l'intensité de la contrainte agissant sur une fissure de plus en plus large. Un tel comportement peut être décrit de manière raisonnablement précise par des modèles de croissance des fissures de fluage qui prennent en compte la transitoire élasto-plastique et la fluage primaire. On dèmontre que le paramètre Ct est en correlation avec les vitesses de croissance de la fissure durant les transitoires, et que l'intégrale C^* devient le paramètre de charge le plus approprié au cours du fluage stable. Toutefois, C^* ne peut décrire la croissance d'une fissure dans une éprouvette à simple entaille latérale comportant des fissures peu profondes. On pense que cela est dû à un arrondissement excessif de l'extrémité des fissures et à d'autres modifications géométriques. On constate également que la croissance d'une fissure s'accélère lorsque l'on procède fréquemment à un déchargement suivi d'une remise en charge.

     

Characterization of near tip stress and deformation fields in creeping solids

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

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

     

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.

     

Interrelations between creep and slow crack growth for tensile loading conditions

Phenomenological interrelations between creep strain and slow crack growth are derived based on the fact that the total creep strain at fracture is determined by the growth kinetics of a pre-existing crack. It is shown that measurements of the creep strain in a region remote from the growing crack can be used to predict failure periods for materials that concurrently exhibit creep and slow crack growth.

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Résumé En se basant sur le fait que la déformation totale de fluage lors de la rupture résulte d'une cinétique de croissance d'une fissure préexistante, on établit les interrelations phénoménologiques entre la déformation de fluage et la croissance lente d'une fissure. On montre que des mesures de la déformation de fluage dans une région éloignée de celle où croît la fissure peuvent être utilisée pour prédire les temps de rupture de matériaux qui peuvent présenter simultanément du fluage et de la croissance lente d'une fissure.

     

Stress and plane strain fields at the tip of a stationary tensile crack in a creeping material

Approximate steady state stress and strain fields are determined at the tip of a crack in an elastic perfectly-plastic creeping material by matching the far distant creeping field with the Prandtl punch solution. A new path-independent contour integral is formulated and expressions are derived for the size of the plastic regions, the crack opening displacement rate and the transient time.

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Résumé On détermine less champs approximatifs de contrainte et de déformation en état stable à l'extrémité d'une fissure dans un matériau élastique en cours de fluage parfaitement plastique en appliquant la solution ponctuelle de prandtl au champ de déformation par fluage suffisamment lointain de l'extrémité de la fissure. On formule une nouvelle intégrale de contours indépendante du chemin parcouru et on dérive des expressions de la dimension des régions plastiques de l'accroissement du déplacement d'ouverture de la fissure ainsi que de la durée de la période de transition pour atteindre une dimension stable.

     

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

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

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

     

Influence of damage on crack-tip fields under small-scale-creep conditions

The growth of a sharp crack typically is accompanied by a damage or fracture process zone that propagates with the crack tip. The present understanding of the transient crack-tip fields under small-scale-creep conditions is limited primarily to analyses based upon creep flow rules that neglect damage. In this paper, Kachanov-type creep-damage constitutive equations are developed that include the dilatational creep that arises from caviation and microcrack damage. A finite element calculation demonstrates the effects of this type of creep-damage behavior on the asymptotic, singular crack-tip fields.

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Résumé La croissance d'une fissure aiguë est typiquement accompagnée d'une zone d'endommagement ou de rupture qui accompagne l'extrémité de la fissure tout au long de sa propagation.La perception actuelle des champs transitoires à la pointe d'une fissure sous des conditions de fluage à petite échelle est essentiellement limitée à une analyse reposant sur les lois d'écoulement en fluage, sans considération d'endommagement. Dans cette étude, on développe les apparitions de type Kachanov représentatives du dommage par fluage, qui incluent le fluage en traction résultant de la cavitation et d'un endommagement par microfissures.Un calcul par éléments finis démontre les effets de ce type de comportement d'endommagement par fluage sur les champs de contraintes singuliers et asymptotiques à l'extrémité d'une fissure.

     

Crack growth laws for a variety of viscoelastic solids using energy and COD fracture criteria

An energy balance fracture criterion and a constant crack opening displacement criterion are extensively discussed and rationalized in connection with the prediction of crack growth rates in linear viscoelastic materials. It is shown that both approaches lead to the same crack growth law when small scale yielding conditions prevail and when the applied stress is constant during propagation. Based upon an approach already appearing in the literature an analysis is presented deriving crack growth laws which are valid for quite general creep functions. The standard linear solid and generalized power law materials are discussed. Growth laws, valid for both small and large scale yielding, are derived for Maxwell solids using the above two fracture criteria.

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Résumé Un critère de rupture basé sur l'équilibre d'énergie et un critère de constant COD sont discutés de manière approfondie et rationnalisés en connection avec les pródictions de vitesse de croissance dans une fissure dans des matériaux viscoélastiques linéaires. On montre que les deux approches conduisent à la même loi de croissance d'une fissure lorsque des conditions d'écoulement plastique à petite échelle prévalent et que les contraintes appliquées sont constantes durant la propagation. En se basant sur une approche déjà publiée dans la littérature, on présente une analyse dérivant les lois de propagation de fissure qui sont valides pour des fonctions tout à fait générales de fluage. On discute le cas des matériaux qui suivent une équation d'état standard linéaire ou d'une puissance déterminée. Des lois de croissance qui sont valables aussi bien pour les écoulements plastiques de faibles amplitudes que de grandes amplitudes sont dérivées dans le cas de solides de Maxwell en utilisant les deux critères de rupture ci-dessus.

     

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.

     

J-integral correlation of the initiation of slow crack growth in linear polyethylene

In previous investigations it has been shown that the regime of slow crack growth and the time to failure depend directly on the initial rate of crack-tip opening and damage. In this paper we demonstrate that a more appropriate fracture parameter to correlate various load levels, crack lengths, and specimen geometries under small-scale-yielding conditions is the J-integral rather than K. Since the initial rate of damage depends directly on the J-integral, the phenomenon of long-time failure by slow crack growth should be correlated by the J-integral for linear PE.

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Résumé Au cours d'études précédentes, on a montré que le régime de croissance lente d'une fissure et le temps nécessaire à la rupture dépendent directement de la vitesse initiale de l'ouverture et de l'endommagement à l'extrémité de la fissure. Dans ce travail, on démontre que l'intégrale J est un meilleur paramètre de rupture que K pour mettre en corrélation différentes valeurs de la charge, longueurs des fissurs et géométries d'éprouvettes, sous des conditions d'écoulement plastique à faible échelle. Comme la vitesse d'endommagement initiale dépend directement de l'intégrale J, on devrait pouvoir corréler avec J le phénomène de rupture différée sur une longue durée, résultant d'une croissance lente de fissure, dans le cas d'un polyéthyléne linéaire.

     

Micro-mechanical modelling of mode III fatigue crack growth in rotor steels

A study has been made of fatigue crack propagation in mode III (anti-plane shear) for A469 and A470 commercial rotor steels (tensile strength 621 and 764 MN/m² respectively) using torsionally-loaded circumferentially-notched cylindrical specimens. For crack growth under both small-and large-scale yielding conditions, radial mode III crack propagation rates are observed to be similar in both steels and to be uniquely related to the plastic intensity range 163-1 per cycle, provided friction, abrasion and interlocking between sliding crack faces is minimized by the application of a small tensile mean load. Over the range studied (i.e., 10^-6 to 10^-1 mm/cycle), mode III growth rates (dc/dN)_III are found to be independent of load ratio (for R=–1.0 and –0.5) and to be a power law function of 163-1 or the mode III cyclic crack tip displacement. When compared to mode I crack growth at equivalent cyclic crack tip displacements, however, crack propagation rates in mode III are seen to be two orders of magnitude smaller than in mode I. Based on fractographic evidence of elongated voids, parallel to the crack front, at the tip of the fatigue crack, several models for mode III crack growth are proposed utilizing the concept that mode III crack advance occurs by the initiation and coalescence of voids formed at inclusions directly ahead of the crack tip. By considering the linkage of these voids to take place by mode II shear parallel to the main crack front, expressions for the mode III crack propagation rate are developed based either on considerations of the local mode II crack tip displacementsor the mode II accumulated crack tip strain (computed from the Coffin-Manson damage relationship). Whereas both types of models predict mode III growth rates to be a small fraction of the cyclic crack tip displacements per cycle, the damage accumulation model in particular is found to provide excellent agreement with experimentally measured growth rates in the present rotor steels.

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Résumé On a procédé à une étude de la propagation en mode III (cisaillement antiplanaire) des fissures de fatigue dans les aciers commerciaux pour rotors des nuances A 469 (UTS 621 MN/m²) et A 47 à (UTS 764 MN/m²) à l'aide d'éprouvettes cylindriques à entaille circonférentielle soumises à tension.Pour des croissances de fissures demeurant sous les conditions d'écoulement plastique à petite ou à grande échelle, on observe que les vitesses de propagation d'une fissure radiale en mode III sont similaires dans les deux aciers. Si on minimise les frottements, l'abrasion et les couplages mécaniques entre les faces de la fissure en appliquant une légère contrainte de traction, on observe également que ces vitesses sont en seule relation avec l'étendue de la déformation plastique III par cycle. Dans la gamme étudiée (F de 10^-6 à 10^-1 mm/cycle) on trouve que la vitesse de croissance de la fissure en mode III est indépendante de R (pour R=–1 et –0,5) et est une fonction parabolique de III ou du déplacement d'extrémité de la fissure. Toutefois, si on compare les vitesses de croissance en mode III à celles obtenues en mode I sous les mêmes déplacements d'extrémités de fissure, on constate que les premières sont inférieures aux secondes de deux ordres de grandeur. On propose divers modèles pour la croissance de fissure en mode III, en se basant sur l'observation fractographique de la présence de lacunes allongées parallèles sur front de fissuration.Ces modèles recourent au concept de préfissuration par coalescences des lacunes formées sur des inclusions en amont de la fissure. En considérant que ces lacunes se réunissent par un cisaillement de mode II parallèle au front de fissuration principale, on a développé des expressions pour la vitesse de propagation suivant le mode III, qui reposent soit sur les déplacements locaux de l'extrémité de la fissure suivant un mode II, soit sur la déformation de mode II accumulée à l'extrémité de la fissure et calculée par la relation de dommages cumulés de Coffin-Manson.Si les deux types de modèle prédisent que les taux de croissance selon le mode II ne sont qu'une faible fraction des déplacements par cycle, le modèle recourant au concept de dommages cummulés se montre quant à lui en excellent accord avec les vitesses de propagation mesurées expérimentalement sur lesdits aciers pour rotors.

     

Some observations on the viability of crack tip opening angle as a characterising parameter for plane strain crack growth in ductile materials

Wnuk's application of the Dugdale-Bilby-Cottrell-Swinden model to stable crack growth in ductile materials, is extended to incorporate a simplified idealization of the fracture process zone. The results, when considered with Rice and Sorensen's recent analytical and finite element results, provide further support for the use of crack tip opening angle as a viable characterising parameter for plane strain stable crack growth.

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Résumé L'application faite par Wnuk du modèle de Dugdale-Bilby-Cottrell et Swinden relatif à la croissance stable d'une fissure dans un matériau ductile est étendue de manière à incorporer dans une idéalisation simplifiée la zône où se produit la rupture. Les résultats, lorsqu'ils sont examinés à la lueur des résultats analytiques récents ainsi que des résultats par éléments finis obtenus par Rice et Sorensen, fournissent un support complémentaire à l'utilisation de l'angle d'ouverture de l'extrémité d'une fissure en tant que paramètre caractéristique pour décrire la croissance stable d'une fissure en état plan de déformation.

     

Effect of microstructure degradation on creep crack growth

Creep crack growth by grain boundary cavitation is analysed numerically for center cracked and edge cracked panels. Creep acceleration induced by microstructure degradation is incorporated in the material model that describes the nucleation and growth of cavities in the grain boundary, including the effect of diffusion, dislocation creep and grain boundary sliding. It is found that the creep acceleration significantly reduces the notch sensitivity of the material.

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Résumé On analyse par voie numérique la croissance d'une fissure de fluage par cavitations aux joints de grain dans le cas de plaques fissurées en leur centre ou sur leurs bords. Un modèle du matériau, qui incorpore l'accélération du fluage due à sa dégradation, décrit la naissance et la croissance des cavités aux joints de grains, en tenant compte de l'effet de la diffusion, du fluage associé aux dislocations et du glissement des joints de grains.On trouve que l'accélération du fluage réduit de manière significative la sensibilité à l'entaille du matériau.

     

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.