A boundary element solution of the edge crack problem

The equations of the boundary element method and of a stressed semi-infinite crack in an infinite plane are combined to formulate the solution to the finite edge cracked plate. The coupled integral equations are solved numerically by the most elementary form of the boundary element method and by Gaussian quadrature. Results for the stress intensity factor and crack opening displacements are presented for several fundamental problems.

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Résumé On combine les équations de la méthode des contours élémentaires et d'une fissure semi-infinie soumise à contrainte dans une plaque infinie en vue de formuler la solution applicable à une plaque finie fissurée sur ses bords. Les équations intégrales couplées sont résolues de manière numérique par la forme la plus simple de la méthode des contours élémentaires ainsi que par une quadrature de Gauss. On présente les résultats pour le facteur d'intensité de contrainte et pour le déplacement d'ouverture de la fissure dans le cas de divers problèmes fondamentaux.

     

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.

     

Application of an inclined-strip-yield crack tip plasticity model to predict constant amplitude fatigue crack growth

A mathematical model for fatigue crack growth under arbitrarily varying cyclic loads based on the inclined-strip-yield superdislocation representation of crack tip plasticity was initiated in previous work. The results showed promise, but also exhibited some deficiencies. Steps to improve the general model using a heuristic model (in which the superdislocation pairs representing the residual plasticity left behind by a crack growing under constant amplitude loading are lumped into one aggregate pair) are described in this paper. It is shown that this simple model matches the main features of experimental observations on fatigue crack growth. While pointing the way to developing a practical model to treat spectrum loading, the results also offer some potentially valuable insights into the analysis of plasticity-enhanced fatigue crack growth. Of most significance, the results suggest that the compressive stress acting at a crack tip due to residual plasticity may be inseparably linked with crack closure. The generality of the model is also demonstrated by applications to biaxial and crack line loading conditions.

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Résumé Dans un travail précédent, on a présenté un modèle mathématique décrivant la croissance d'une fissure de fatigue sous charges cycliques variant de façon arbitraire, en se basant sur une représentation de la plasticité à l'extrémité de la fissure en une superdislocation associée à des écoulements plastiques en bandes suivant une certaine inclinaison. Ces résultats semblaient prometteurs, encore que révélant certaines faiblesses. Le mémoire décrit les étapes parcourues pour améliorer le modèle général en recourant à un modèle heuristique. Dans ce dernier, les paires de superdislocations représentant la plasticité résiduelle qui demeure après croissance de la fissure sous amplitude de charge variable, sont réunies en une seule paire. On montre que ce modèle simplifié rend compte des caractéristiques principales de la croissance des fissures de fatigue, telles qu'elles ressortent des observations expérimentales. Les résultats indiquent la voie à suivre pour développer un modèle pratique décrivant le cas de la sollicitation suivant un spectre de charges. Ils ouvrent également des perspectives intéressantes dans l'analyse de la croissance d'une fissure de fatigue activée par l'entrée en plasticité. Mais, par dessus tout, ils suggèrent que la contrainte de compression due à la plasticité résiduelle et agissant à l'extrémité de la fissure peut être indissolublement liée à la fermeture de la fissure. Des applications à des conditions de mise en charge biaxiale, ou à une sollicitation concentrée sur la fissure elle même, démontrent les généralisations possibles du modèle étudié.

     

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.

     

Propagation of a transient shear wave from a crack in an elastic plate

A simple analytical technique based on the methods of transverse resonance and group velocity is developed in order to predict the propagation of shear (SH) waves emitted from a crack in elastic plates. Since a total solution of the Rayleight Lamb waves propagation inside the plate is very complicated, the simple SH mode was used to demonstrate the argument of this paper. The effects of varying distances between the crack and the sensor are also discussed.

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Résumé On développe une technique analytique simple basée sur les procédés de résonance transversale et de vitesse de trains d'onde en vue de prédire la propagation d'ondes SH émises à partir d'une fissure dans une plaque élastique.Comme une solution complète pour la propagation des ondes de Rayleight-Lamb est très compliquée à mettre en oeuvre, on s'est restreint à utiliser le mode SH pour démontrer la validité de l'étude.On discute également des effets d'une distance variable entre la fissure et le palpeur.

     

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.

     

Suppression of fatigue crack growth in aluminium alloy sheets

The effect of crack bridging reinforcing members on the growth of a transverse fatigue crack in an aluminium alloy sheet has been examined. The specimens have been subjected to zero tension cyclic loading applied in the reinforcement direction. In the case of some specimens initial tensile stresses were developed in the substrate aluminium sheet by the reinforcing members. In other cases initial compressive stresses were developed. Fatigue crack growth rates in the unreinforced aluminium alloy sheet were also determined. In the case of both types of reinforced structures the reinforcing elements suppressed the growth of fatigue cracks compared with the unreinforced material. This effect was particularly marked in the case where the substrate aluminium sheet was prestressed in compression-the crack growth rates approaching zero as the peak applied tensile strain approached the value of the initial compressive pre strain.The mechanisms whereby fatigue crack growth in the substrate aluminium sheet is suppressed are discussed and their effectiveness related to the behaviour of the unreinforced material by comparing crack growth rates in terms of effective stresses intensity factors.The compressive stresses were developed in the substrate sheet using two part core/tube reinforcing members. The cores were held in residual tension with the rest of the structure in corresponding compression. The prestress condition appears to be achievable with negligible weight penalty in structures of appreciable size where the engineering requirement is to limit the deformation of a structure under load. Where increased elastic deflections and correspondingly higher stresses are acceptable, reductions in structure weight together with an improved resistance to fatigue crack growth compared with the unreinforced material appear possible.The cores are designed not to be fracturable as a consequence of tensile deformations of any magnitude applied to the composite structure. Hence, they provide a residual load bearing capability and also inhibit crack extension in the fracturable part of the structure under all conditions of tensile loading.

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Résumé On a examiné l'effet de pontage d'une fissure occasionné par des éléments de renforcement, dans le cas de la croissance de fissure de fatigue transversale dans une tôle d'alliage d'aluminium. Les éprouvettes étaient soumises à une sollicitation de traction cyclique pulsée appliquée dans la direction du renforcement. Dans le cas de certaines éprouvettes, des contraintes initiales de traction étaient développées dans la tôle d'aluminium servant de substrat directement par l'élément de renforcement. Dans d'autres cas des contraintes initiales de compression étaient développées. La vitesse de croissance de la fissure de fatigue de la tôle d'alliage d'aluminium non renforcée a également été déterminée. Dans les deux types de structure renforcée qui ont été examinés les éléments de renforcement suppriment la croissance de fissure de fatigue, quand on se compare au matériau non renforcé. Cet effet a été particulièrement marqué dans le cas d'une tôle d'aluminium pré-comprimée: dans ce cas, les vitesses de croissance de fissuration approchaient de 0 lorsque la déformation appliquée en traction approchait la valeur de la pré-déformation de compression initiale.On discute les mécanismes par lesquels la croissance d'une fissure de fatigue dans un tôle d'aluminium peut être supprimée ainsi que l'efficacité de leur comportement dans le matériau non renforcé en comparant les vitesses de croissance de fissure en termes de facteur d'intensité de contrainte.Les contraintes de compression étaient introduites dans la tôle de base en utilisant des éléments de renforcement constitués d'un tube et d'un noyau. Le noyau était maintenu en tension résiduelle tandis que le reste de la structure était amené en compression. Les conditions de précontrainte apparaissent réalisables avec une faible pénalisation en poids dans des structures d'une dimension déjà appréciable lorsque les exigences de la conception limitent la déformation de la structure sous contrainte. Lorsqu'on admet des déflexions élastiques plus importantes et des contraintes correspondantes plus élevées, il apparait possible d'obtenir des réductions dans le poids de la structure ainsi qu'une résistance accrue à la croissance d'une fissure de fatigue, par rapport à une structure non renforcée.Les noyaux sont conçus de manière à résister aux déformations de traction appliquées à la structure composite. Dès lors, ils apportent un complément de résistance aux charges appliquées et empêchent l'extension d'une fissure dans la partie de la structure susceptible de se rompre, sous toutes les conditions de mise en charge.

     

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

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

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

     

Elastic-plastic problem for a plate with a part-through crack under extension and bending

In this paper a flat plate containing a relatively long and deep part-through crack and subjected to uniform membrane and bending loads is considered. It is assumed that the net ligament and the plate wall in some neighborhood of the crack are fully yielded. In analyzing the problem Reissner's Theory of plate bending is used. The plastic deformations are taken into account by using a plastic strip model. First some elastic results regarding the interaction of two collinear cracks are obtained. The crack opening displacement at various locations in the plate is then calculated for various crack sizes and stress ratios.

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Résumé Dans ce mémoire, on considère une tôle plate comportant une fissure relativement longue et profonde, partiellement tranversante et soumise à une contrainte de membrane uniforme et à des contraintes de flexion. On suppose que le ligament net et les parois de la tôle dans un certain voisinage de la fissure passent complètement en plasticité. On utilise pour l'analyse du problème la théorie de Reissner de la flexion des plaques. Des déformations plastiques sont prises en considération en utilisant un modèle de bande plastique. On obtient en premier lieu certains résultats élastiques concernant l'interaction de deux fissures colinéaires. Ensuite, on calcule le déplacement d'ouverture de la fissure en différents endroits de la plaque et pour diverses dimensions de la fissure et rapports de contrainte.

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This work was supported by the Department of Transportation under the Contract DCT-RC-82007.     

An experimental investigation into dynamic fracture: IV. On the interaction of stress waves with propagating cracks

This is the last in a series of four papers dealing with experimental observations of dynamic crack propagation in thin, large sheets of a Homalite 100 plastic material which allow simulation of crack growth in unbounded plates. In the first paper crack initiation resulting from stress wave loading was examined as well as crack arrest. It was found that for increasing rates of loading in the microsecond range the stress intensity factor required for initiation rises markedly. Crack arrest occurs abruptly without any deceleration phase at a stress intensity lower than that which causes initiation under quasi-static loading.In the second paper we analyze the occurrence of micro cracks at the front of the running main crack which control the rate of crack growth. The micro cracks are recorded by real time photography. By the same means it is shown that these micro cracks grow and turn away smoothly from the direction of the main crack in the process of branching.The third paper questions the existence of a unique relation between the instantaneous stress intensity factor and the instantaneous crack speed. It is shown that the crack propagates with constant velocity from the instant of initiation, even though the stress intensity factor varies considerably during crack propagation. The limiting crack speed is viewed as a consequence of crack tip micro-fracturing discussed in the second paper of the series. The crack branching is considered as a natural evolution of the micro fracturing process with certain statistical features.In this last paper we examine the effect of stress waves impinging on the tip of a running crack. The stress waves are induced by (a) reflection from the boundary through a judicious choice of specimen geometry and (b) through use of a second stress wave generator. It is found that these waves affect the direction of propagation, the crack speed, and the process of branching. However, we conclude that while stress waves modify the process of crack branching they do not by themselves constitute the reason for crack branching. Also, it is demonstrated how wave reflections in small specimens may complicate dynamic crack propagation behavior and thereby the interpretation of results.

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Résumé Ceci est le dernier mémoire d'une série de quatre consacrés à des observations expérimentales sur la propagation dynamique d'une fissure dans des feuilles minces et longues d'un matériau plastique — l'Homalite 100 — qui permet de simuler une propagation de fissure dans des tôles non limitées. Dans le premier mémoire, on a examiné l'amorçage d'une fissure résultant d'une sollicitation en onde, ainsi que son arrêt. On a trouvé que pour des vitesses de mise en charge atteignant l'ordre de la microseconde, le facteur d'intensité de contrainte nécessaire à l'amorçage s'accroît de manière marquante. L'arrêt de la rupture survient brutalement sans phase de décélération et correspond à un facteur d'intensité de contrainte plus faible que celui qui est nécessaire pour créer l'amorçage en condition quasi statique.Dans le deuxième mémoire, on s'attache à analyser l'apparition de microfissures en avant d'une fissure principale en propagation, et qui contrôlent la vitesse de cette propagation. On procède, pour ce faire, à leur enregistrement par photographie en temps réel et on montre, par le même procédé, que ces microfissures s'étendent et s'écartent peu à peu de l'axe de la fissure principale, induisant un processus d'arborescence.La troisième étude s'interroge sur l'existence d'une relation unique entre le facteur d'intensité de contrainte instantanée et la vitesse instantanée de la fissure. On montre que la fissure se propage à une vitesse constante dés son initiation, même si le facteur d'intensité de contrainte évolue de manière marquante au cours de la phase de propagation. La vitesse limite de la fissure est considérée comme une conséquence de la microfissuration survenant à la pointe de la fissure, ainsi qu'il en est discuté dans l'étude précédente. L'arborescence de la fissure est, quant à elle, considérée comme une évolution naturelle du processus de micro-rupture, tenant compte de considérations statistiques.Dans le présent mémoire, on examine l'effet d'ondes de contraintes appliquées à l'extrémité d'une fissure en propagation. Ces contraintes sont induites soit par une réflection sur une surface libre, dans une configuration judicieuse de géométrie d'éprouvette, soit par l'utilisation d'un générateur d'ondes.On établit que ces ondes ont une influence sur la direction de la propagation, sur la vitesse de la fissure, et sur le processus d'efflorescence.Toutefois, on conclut que si des ondes de contraintes modifient le processus d'efflorescence, elles n'en constituent par pour autant la cause. On démontre également dans quelle mesure des réflexions d'ondes dans des petites éprouvettes peuvent singulièrement compliquer le comportement à la propagation d'une fissure, ainsi que l'interprétation des résultats.

     

A finite element study of crack growth in WC-Co

A finite element analysis of crack growth in tungsten carbide cobalt has been used to study the plastic deformation of binder ligaments bridging the crack faces in the wake of a matrix crack. A multiligament zone observed on the intersection of an arrested crack with a free surface is used to model the crack tip region. The plane stress results demonstrate that plasticity is confined to a band linking the ligament tips well in accordance with experimentally found deformation patterns. The plane strain calculations for the same microstructure supply information about hole nucleotion and growth which are known to control the failure process of the ligaments. It is concluded from a recent analysis of void growth in homogeneous materials, that plastic deformation in the binder of WC-Co is concentrated in the neck between a blunting crack tip and a void growing ahead of it. Thus in both cases, plane stress and plane strain, non bridging binder regions deform purely elastically in contrast to the results of recent finite element calculations. It is seen that the previously used concept of a plastic zone size in the binder of cemented carbides equal to or larger than the mean intercept length of the binder, 305-1, must be modified. 305-2 constitutes only an upper limit for the mean size of the plastic zone while the actual extension of plasticity is smaller.

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Résumé On utilise une analyse par éléments finis de la croissance d'une fissure dans un alliage Cobalt-Carbure de Tungstène pour l'étude de la déformation plastique des ligaments de liaison entre les faces d'une fissure prenant naissance dans une matrice. Pour représenter la région à l'extrémité de la fissure, on utilise la zone multiligamentaire observée à l'intersection d'une fissure ouverte et d'une surface libre. Les résultats correspondent à un état plan de tension démontrant que la plasticité est confinée à une bande reliant les extrémités des ligaments, ce qui est bien en accord avec les aspects de déformation trouvés expérimentalement. Les calculs en état plan de déformation pour la même microstructure fournissent une information sur le processus de nucléation et de croissance des lacunes, qui est connu pour contrôler le processus de rupture d'un ligament. On conclut de l'analyse pour des matériaux homogènes que la déformation plastique dans une liaison de WC-Co est concentrée dans la position rétrécie entre l'extrémité arrondie d'une fissure et une lacune en croissance en amont de celle-ci. Dès lors, dans les deux cas de tension plane ou de déformation plane, les régions de liaison qui ne relient pas les faces de la rupture se déforment de manière purement élastique, ceci en contraste avec les résultats de calculs récents par éléments finis. On constate que le concept de taille de zone plastique égale ou supérieure à la longueur moyenne 317-3 de la liaison doit être modifié. 317-4 ne représente qu'une limite supérieure pour la taille moyenne de la zone plastique, tandis que l'étendue réelle de la plasticité est plus petite.

     

Characteristics of an acoustic emission source from a thermal crack in glass

Thermal cracks of mode I type oriented normal to the surface along an initial scratch were generated by blowing cold nitrogen gas through a small nozzle onto the surface of a glass plate. Acoustic emission (AE) signals emitted from the thermal cracks were detected on the opposite side of the plate, both at epicentral and at off-epicentral positions with a nine-channel AE system. AE source characteristics, such as moment tensor components, source-time function, radiation pattern, and dipole strength, were obtained from the detected waveforms. The strength of dipoles associated with the thermal cracks was determined from comparing the crack signals to those generated when a glass capillary was broken at the crack site prior to crack formation. It is shown that the AE source-time function, together with the dipole strength, can provide valuable information on the dynamic behavior of fracture.

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Résumé On a créé des fissures thermiques de Mode I orientées normalement à une surface en projetant de l'azote froid par un petit ajustage sur une rainure initiale à la surface d'une plaque de verre. Les signaux d'émission acoustique émis par la fissure thermique ont été détectés sur la face opposée de la plaque, à l'épicentre et en d'autres positions par rapport à la fissure, en utilisant un système de captation à neux canaux. Les formes d'ondes détectées fournissent les caractéristiques de la source acoustique, telles que les composantes du tenseur de moment, la fonction sourcetemps, la répartition de la radiation et la puissance du dipole. Cette dernière grandeur a été déterminée, lorsqu'elle est associée aux fissures thermiques, en comparant les signaux obtenus à ceux que produit un capillaire de verre rompu à l'endroit de la fissure, avant que celle-ci se forme. On montre que la fonction d'émission acoustique source-temps ainsi que la puissance dipole peuvent fournir des informations valables sur le comportement dynamique d'une rupture.

     

The plastic zone ahead of a mode II plane strain crack

The problem of a mode II plane strain crack in an elastic perfectly-plastic solid is analysed. It is shown that the elastic singular field for a crack cannot be matched with the near-tip field. Hence, the usual definition of small scale yielding is inappropriate. By matching the stress field in the plastic zone with the elastic dominant field for a blunt crack near the crack line at the elastic-plastic boundary, the elastic-plastic boundary ahead of the crack is determined.

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Résumé On analyse le problème d'une fissure de mode II en état de déformation plane dans un solide élastique parfaitement plastique. On montre que le champ singulier élastique relatif à une fissure ne peut être atteint par le champ régnant au voisinage de l'extrémité de la fissure considérée. Dès lors, la définition habituelle de l'écoulement platique à petite échelle n'est pas adéquate. On détermine la limite élastique-plastique en avant de la fissure en faisant se correspondre le champ de contraintes dans la zone plastique avec le champ principal élastique correspondant à une fissure arrondie située près de la ligne de la fissure.

     

Computer simulation of fast crack propagation in brittle material

A method is presented to simulate the behavior of a rapidly running crack by employing the finite element method with a singular element. The crack-tip is assumed to move so as to satisfy a dynamic fracture criterion that the dynamic energy release rate be equal to a specific fracture energy during failure. Simulation is carried out for a crack in a rectangular plate subjected to a suddenly applied load, and it has indicated that the dynamic behavior of a crack, such as onset of crack propagation, bifurcation, or stopping, is deeply influenced by the magnitude and the time duration of the applied load.

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Résumé On présente une méthode pour simuler le comportement d'une fissure en propagation rapide, utilisant la méthode des éléments finis avec un élément singulier. On suppose que l'extrémité de la fissure se meut de telle sorte que soit satisfait un critère de rupture dynamique selon lequel la vitesse de relaxation de l'énergie dynamique est égale à une énergie de rupture spécifique au cours du processus de dégradation. Une simulation est effectuée dans le cas d'une fissure dans une plaque rectangulaire sujette à une charge appliquée de manière soudaine; cette simulation indique que le comportement dynamique d'une fissure tel qu'il se présente au moment du démarrage d'une propagation de fissure, d'une bifurcation ou d'un arrêt d'une fissure, est influencé de manière profonde par l'amplitude et par la durée en fonction du temps de la charge appliquée.

     

Somewhat circular tensile cracks

In this paper we apply the method developed by Rice [1], of solving for the elastic field of a crack with a front perturbed from some reference shape, to solve the elasticity problems of somewhat circular planar tensile cracks under arbitrary load distributions. The method is based on a known solution for the stress intensity factor along a circular crack due to a pair of wedge-opening point forces on its surfaces. A full solution, accurate to first order in the deviation from a circular shape, is derived for the stress intensity factor and the crack opening displacement distributions. The results of a perturbation in a harmonic wave form suggest that a circular crack, under axially symmetric loading, can be configurationally unstable (not grow as a circle) for loadings that increase in intensity with distance from the center. Circular cracks with harmonic shape perturbations are found to have the same form of variation of the stress intensity factor with arc length along the crack edge (to first order accuracy) as found in previous work for a half plane crack. As a test case for the perturbation solution, an elliptical planar tensile crack under uniform tension is viewed as being perturbed from a circular crack. Results derived from the perturbation formulae through numerical evaluation are compared with the exact solutions existing in the literature. The perturbation results show a very good match with the exact solutions even when the semi-axis lengths of the elliptical crack differ by a factor of two (and by as much as a factor of three when special choices of the reference circular crack location are made). This suggests that the perturbation procedure presented here, while theoretically exact only to first order, can be used to produce acceptable results for some planar cracks whose shapes deviate appreciably from a circle.

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Résumé On applique la méthode proposée par Rice (1985) pour la solution du champ élastique d'une fissure dont le front s'écarte d'une forme de référence, à la solution des problèmes d'élasticité relatifs à des fissure planaires sensiblement circulaires et soumises à tension sous l'effet de distribution de charges arbitraires. La méthode est basée sur la connaissance du facteur d'intensité de contraintes le long d'une fissure circulaire, soumise à un couple de forces d'ouverture par coin qui agissent sur sa surface. Pour ce facteur d'intensité de contrainte et des distributions données du déplacement d'ouverture de la fissure, on déduit une solution complète, exacte au premier ordre, décrivant la déviation par rapport à la forme circulaire. Les résultats obtenus pour une perturbation suivant une onde harmonique suggérent qu'une fissure circulaire soumise à sollicitation axi-symétrique, peut présenter une configuration instable, c'est-à-dire croîte selon une forme autre que circulaire, en présence de sollicitations croissant en intensité au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre. La même forme de variation en fonction de la longueur d'arc le long du bord de la fissure est constatée pour des fissures circulaires soumis à des perturbations de forme harmonique, en ce qui regarde le facteur d'intensité de contraintes; ceci avait été trouvé dans un travail précédent pour des fissures hémiplanaires. Pour tester la solution des perturbations, on considère qu'une fissure elliptique plane sous tension est une évolution perturbée d'une fissure circulaire. On compare les résultats dérivés des formules de perturbations et mis sous forme numérique aux solutions exactes disponibles dans la littérature. On trouve que l'accord est excellent, même dans le cas où les longueurs des demi-axes de l'ellipse sont dans un rapport de deux (voire trois) pour des conditions spéciales de position de la fissure circulaire de référence. Ceci suggère que la méthode des perturbations présentées, si elle n'est théoriquement exacte que pour le premier ordre, peut à l'usage produire des résultats acceptables dans le cas de fissures planaires dont la forme dévie de manière appréciable d'une forme circulaire.

     

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

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

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

     

Propagation of a flexure crack: experiment and analysis

Experiments and analyses are carried out on the low decelerating and accelerating speed of a flexure crack running in a specimen of a glass plate. The specimen is subjected to a spherical indentation on its upper surface and rests on a knife-edge or ring foundation. The span of the foundation is comparable to the plate thickness so that a three-dimensional stress field is established. The stress distribution is determined analytically in terms of its stretching and bending components. It is shown that the variation of the crack speed depends not on the total surface tensile stress, but on the in-plane stretching stress. The experiment is shown to have produced only a small stretching stress so that the low varying speed of the crack, instead of its high limiting speed, was observed experimentally.

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Résumé Des études expérimentales et des analyses sont effectuées sur la vitesse de lente décélération ou d'accélération d'une fissure de flexion se propageant dans une éprouvette plate en verre. L'éprouvette est soumise à une indentation sphérique sur sa surface supérieure et repose sur un double appui à couteaux ou sur un anneau à sa partie inférieure. La distance entre appui est comparable à l'épaisseur de la plaque de telle sorte qu'un champ de tensions tridimensionnelles puisse s'établir. La distribution des tensions est déterminée analytiquement en fonction de ses composantes de rétraint et de flexion. On montre que la variation de la vitesse de fissuration ne dépend pas de la tension totale règnant en surface mais de la tension provoquant le rétrécissement suivant le plan. On montre que ce type d'expérience ne produit qu'une faible contrainte de rétraint de sorte que l'on observe expérimentalement une faible variation de la vitesse de la fissure au lieu d'une vitesse limite supérieure.

     

Crack tip parameters for large scale yielding and low constraint configurations

This article introduces a quasi-deformation plasticity theory which takes account of nonproportional loading by means of an orthotropic yield surface. The analysis is used to extend fracture mechanics concepts beyond the normal limits of J-integral theory. A simple correction for crack tip stresses is derived from the quasi-deformation assumption. This correction indicates that the degree of crack tip triaxiality is related to the relationship between the J-integral and the crack tip opening displacement (CTOD). Predictions of crack tip stress fields agree well with published finite element results.The simple correction for crack tip fields is used in conjunction with micromechanical failure models for cleavage and microvoid coalescence to predict fracture toughness in large scale yielding. These analyses indicate that cleavage toughness is very sensitive to losses in triaxiality. Predictions for a center cracked panel, for instance, indicate that the effective driving force for cleavage may be significantly less than the apparent driving force. Resistance to crack initiation by microvoid coalesence is affected by constraint but it is not nearly as sensitive as cleavage resistance.

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Résumé L'article introduit la théorie de la plasticité sous déformations virtuelles qui prend en compte une mise en charge non proportionnelle au moyen d'une surface d'écoulement plastique orthotrope.On utilise l'analyse par l'exclusion des concepts de mécanique de rupture au delà des limites normales de la théorie de l'intégrale J. Par l'hypothèse des déformations virtuelles, on déduit une correction simple pour les contraintes à l'extrémité de la fissure. Cette correction indique que le degré de triaxialité à l'extrémité de la fissure] est lié à la relation entre l'intégrale J et le CTOD. Les prévisions sur les champs de contraintes à l'extrémité de la fissure sont en bon accord avec les résultats par éléments finis qui sont publiés.La correction simple pour des champs à l'extrémité d'une fissure est utilisée dans des modèles de rupture à l'échelle microscopique pour le clivage et la coalescence de micro-lacunes, en vue de prédire la ténacité à la rupture lors d'un écoulement plastique à grande échelle.De telles analyses indiquent que la ténacité par rapport au clivage est très sensible à des pertes de triaxialité. Ainsi, par exemple, les prédictions relatives à un panneau fissuré en son centre, indiquent que la force entraînant effectivement le clivage peut être significativement moindre qu'il n'appert.La résistance à l'amorcage d'une fissure sous l'effet d'une coalescence de micro-lacunes est affectée par le bridage, mais elle n'y est pas aussi sensible que la résistance au clivage.

     

The stability of a penny-shaped crack in a solid subject to an applied tensile stress

The stability of a penny-shaped crack in a solid subject to an applied tensile stress is investigated using a model in which plastic deformation is assumed to be confined to the plane of the crack, the growth criterion being that a constant crack tip opening angle is maintained at the crack tip during growth. The results are compared with those for the analogous two-dimensional crack problem. It is shown that a penny-shaped crack is appreciably more stable than a two-dimensional crack, when the applied stress levels are high relative to the yield stress.

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Résumé On étudie la stabilité d'une fissure circulaire noyée dans un solide soumis à une contrainte de traction en utilisant un modèle dans lequel on suppose que la déformation plastique est limitée au plan de la fissure, le critère de croissance étant que se maintient à l'extrémité de la fissure un angle d'ouverture de fissure constant au cours de cette croissance. On compare les résultats avec ceux obtenus dans un problème analogue d'une fissure à deux dimensions. On montre qu'une fissure circulaire noyée présente une stabilité plus grande qu'une fissure à deux dimensions, dès lors que les niveaux de contrainte appliquée sont élevés en regard de la limite d'élasticité.

     

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

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

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