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.

     

Model for fracture toughness alteration due to cyclic loading

A new model that is capable of predicting and explaining the effect of cyclic loading on the apparent fracture toughness of materials was developed. The model combines macroscopic fracture criteria with the assumption that transient flow properties of material in the cyclic plastic zone can be simulated by those of macroscopic low cycle fatigue specimens, tested in reversed strain control. Little or no changes in the cleavage fracture toughness due to cyclic loading is predicted or observed for materials that cycle strain harden (e.g., rail steel) and in the fracture toughness of other materials that cycle strain harden (e.g., the commercial 2000 series Al-Cu alloys) and fracture by rupture. However, an increase in the fracture toughness is predicted and observed for materials that cycle strain soften (e.g., 1Cr-Mo-V and 18 Ni 300 maraging steels), irrespective of fracture mode (cleavage or rupture). The changes in the fracture toughness are predicted and observed to increase with both the number of cycles of applied load and the reversed plastic strain range (or stress intensity range for precracked specimens).

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Résumé On a développé un modèle à même de prédire et d'expliquer l'effet de mise en charge cyclique sur la ténacité apparente des matériaux. Ce modèle combine les critères de rupture macroscopique avec l'hypothèse que les propriétés d'écoulement transitoire d'un matériau dans une zone où se produit une déformation plastique cyclique peut être simulée par les propriétés d'éprouvettes de fatique olygocyclique macroscopique essayées en déformation alternée. On ne prédit ni n'observe que peu ou pas de changement de la ténacité à la rupture, par clivage dû à une sollicitation cyclique dans le cas de matériaux qui font état d'un écrouissage cyclique, par exemple les aciers à rail. Il en est de même en ce qui regarde la ténacité à la rupture pour les autres matériaux qui durcissent par écrouissage cyclique, par exemple la série commerciale 2000 des alliages AlCu et qui se rompent de manière ductile. Toutefois, on prédit et on observe un relèvement de la ténacité à la rupture dans le cas de matériaux qui s'adoucissent sous l'effet de déformations cycliques, par exemple les aciers 1 CrMoV et les aciers maraging 18Ni300, quel que soit le mode de rupture, c'est-à-dire par clivage ou par rupture ductile. On peut prédire et l'on observe effectivement un accroissement de la ténacité à la rupture avec le nombre de cycles de la charge appliquée et avec l'étendue de la déformation plastique alternée (ou l'étendue de l'intensité de contrainte dans le cas des échantillons préfissurés).

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(The authors wish to dedicate this paper in memory of the late Professor Alan S. Tetelman.)     

Statistical analysis of the effect of side-grooving on the measurement of brittle fracture toughness

Fracture mechanics specimens are commonly side-grooved to promote uniformity of the crack tip stress field, but this practice may affect the fracture toughness measured because of changes in the net thickness and in the constraint. This study, based on Weibull statistics, shows that, for brittle fracture, the difference between the fracture toughness measured with plain-sided and 20 percent side-grooved specimens results essentially from the difference in net thicknesses. It is also shown that the effect of constraint should not be evaluated from the load arrying capacity of the specimen, but rather from the distribution of stress intensity factor along the crack front.

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Résumé Il est courant de nantir d'une entaille de bord les éprouvettes de mécanique de rupture pour provoquer un champ de contraintes uniforme à l'extrémité de la fissure. Cette pratique peut néanmoins affecter la ténacité à la rupture en raison des modifications dans l'épaisseur nette et dans le bridage.La présente étude, que est basée sur l'approache probabilistique de Weibull, montre que dans une rupture fragile la différence entre les ténacités à la rupture mesurées avec des éprouvetes sans entailles et avec un entaillage à 20% résulte essentiellement de la différence qui caractérise les épaisseurs nettes:On montre également que l'effet du bridage ne peut être déduit de la capacité qu'a l'éprouvette de supporter la charge, mais bien plutôt de la distribution du facteur d'intensité des contraintes le long du front de la fissure.

     

Generalized fracture toughness of brittle materials

A generalization of the concept of fracture toughness of brittle materials, when subjected to multiaxial loadings, is presented. The theory characterizes the fracture strength of materials under any combination of the three basic modes of crack surfaces displacement.With reference to three-dimensional loading systems, the fracture toughness may be represented, in theK ₁ K ₂ K ₃ Cartesian orthogonal space, by a surface Fracture Envelope characteristic for a specified material, whose equation is determined by the (symmetric) fracture toughnessK _1c and Poisson's ratio .It is shown that the most general fracture process, resulting from the combination of the opening mode of the tangential stress component and the tearing mode of the antiplane shear, may be conveniently analyzed with the aid of the generalized fracture toughness concept. From the knowledge of the Fracture Envelope relative to a structural material, a simple fracture criterion permits forecasting crack propagation for any combination of loads and geometries.The theory is applied to mixed-mode problems to define the analytic threshold of fatigue crack growth.

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Résumé On présente une généralisation du concept de ténacité à la rupture de matériaux fragiles soumis à des contraintes multiaxiales. La théorie proposée caractérise la résistance à la rupture des matériaux sous toutes les combinaisons possibles des trois modes de base des déplacements des surfaces d'une fissure. Par rapport à un système de mise en charge à deux dimensions, la ténacité à la rupture peut être représentée dans un espace orthogonal cartésienK ₁ K ₂ K ₃ par une Enveloppe de Rupture caractéristique d'un matériau donné dont l'équation est déterminée par la ténacité à la rupture symétriqueK _c et le module de Poisson .On montre que le processus de rupture le plus général qui résulte de la combinaison d'une ouverture sous l'effet de la composante tangentielle de la contrainte et d'un arrachement sous l'effet du cisaillement antiplanaire peut être analysé d'une manière satisfaisanteà l'aide du concept de ténacité à la rupture généralisée. A partir de la connaissance de l'Enveloppe de Rupture relative à un matériau de construction déterminé, un critère simple de rupture permet de prévoir la propagation d'une fissure pour toutes combinaisons de contraintes et de géométries.La théorie est appliquée à des problèmes de fissure suivant des modes mixtes en vue de définir de manière analytique le seuil de propagation d'une fissure de fatigue.

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Operated for the U.S. Department of Energy, Contract No. DE-AC12-76N00052.     

The influence of manganese on the fracture toughness of nickel steels

The effect of manganese content on the fracture toughness of a high-purity martensitic 0.6% C, 5% Ni steel has been determined after tempering below 350°C. The intergranular mode, characteristic of the brittle fracture of material with only trace manganese content, was eliminated by the addition of between 0.1% and 0.6% of that element. However, the purposeful addition of manganese introduced slow crack growth along an intergranular path prior to fast fracture which could in turn, be eliminated by testing in a dry environment. Although this environmental sensitivity prevented the full potential toughness of the material being realised in normal atmospheres the manganese addition effectively improved the toughness, and it is suggested that this is consequential to a change in the fracture criterion.

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Résumé L'effet de la teneur en manganèse sur la ténacité à la rupture d'un acier martensitique de haute pureté à 0,6% C et 5% Ni a été déterminé après revenu à 350°C.En procédant à des additions de manganèse de 0,1% à 0,6%, on a pu éliminer le mode intergranulaire qui caractérisait la rupture fragile de l'acier ne comportant que des traces de cet élément.Toutefois, ces additions intentionnelles de manganèse provoquent une tendance à la croissance lente de fissures le long d'un parcours intergranulaire, suivie d'une rupture brutale, qui peut, à son tour, être éliminée en travaillant dans une atmosphère sèche.En dépit du fait que la sensibilité à l'environnement pénalise la ténacité potentielle du matériau en atmosphère normale, des additions de manganèse améliorent effectivement la ténacité, et l'on suggère que ceci est dû à une modification du critère de rupture.

     

An investigation into the effect of thickness on the fracture behaviour of compact tension specimens

An experimental investigation into the fracture behaviour of 1 Cr Mo V compact tension specimens is described. The plane strain fracture toughness of 64.2 MN/m^3/2 is compared with the fracture toughness determined from compact tension specimens of thickness 50 mm, 25 mm, 13 mm, 6 mm, and 3 mm.With the 13 mm and 6 mm thickness compact tension specimens pop-in steps occurred in the load-displacement records associated with the formation of thumbnail shaped cracks. Following the pop-in steps much higher maximum loads were attained prior to complete fast fracture.A three-dimensional elastic finite element analysis of an observed thumbnail shaped crack indicated that the stress intensity factor was less than that of the initial straight crack. Using this result it is shown that the fracture toughness at the maximum load was in agreement with the fracture toughness at the pop-in step of the load-displacement test record and the plane strain fracture toughness.

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Résumé Une méthode expérimentale est décrite pour étudier le comportement à la rupture de l'acier à 1 Cr Mo V à l'aide d'éprouvettes de tension compacte. La ténacité à la rupture en condition d'état plan de déformation de 64,2 MN/m^3/2 a été comparée avec la ténacité à la rupture déterminée à l'aide d'éprouvettes de tension compacte ayant des épaisseurs de 50 mm, 25 mm, 13 mm, 6 mm et 3 mm. Avec les éprouvettes de tension compacte d'épaisseur 13 mm et 6 mm, on observe des pop-ins dans les enregistrements de charge-déplacement, lesquels sont associés à la formation de fissures en coup d'ongle. Après l'apparition des pop-ins, des charges maximum beaucoup plus élevées ont été atteintes avant l'apparition de la rupture instable. Une analyse par élément fini élastique à trois dimensions d'une fissure en forme d'onglet indique que le facteur d'intensité de contrainte était plus faible que celui de la fissure droite initiale. En utilisant ce résultat, on montre que la ténacité à la rupture à la charge maximum était en agrément avec la ténacité à la rupture correspondant au moment du pop-in dans l'enregistrement charge-déplacement et avec la ténacité à la rupture correspondant à l'état plan de déformation.

     

Dynamic fracture toughness

Dynamic fracture toughness versus crack velocity relations of Homalite-100, polycarbonate, hardened 4340 steel and reaction bonded silicon nitride are reviewed and discrepancies with published data and their probable causes are discussed. Data scatter in published data are attributed in part to the observed fluctuations in crack velocities. The results reaffirmed our previous conclusion that the dynamic fracture toughness versus crack velocity relation is specimen dependent and that the dynamic crack arrest stress intensity factor is not a unique material property.

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Résumé On passe en revue les relations entre la ténacité à la rupture dynamique et la vitesse de propagation d'une fissure, dans le cas de l'Homalite-100, du polycarbonate, de l'acier 4340 durci, et de nitrure de silicium assemblé par liaisons chimiques. On relève les divergences par rapport aux données publiées, et leurs causes probables. On attribue la dispersion des données en partie aux fluctuations observées dans les vitesses de la fissure.Les résultats confirment les conclusions précédemment exprimées, selon lesquelles d'une part la relation qui lie la ténacité à la rupture dynamique à la vitesse de la fissure dépend de l'éprouvette, et d'autre part le facteur dynamique d'intensité de contraintes correspondant à l'arrêt d'une rupture n'est pas une propriété univoque du matériau.

     

A study of failure in the post yield regime using single edge-notched tension specimens

Three post yield analyses have been performed on fracture data obtained from single edge-notched tension specimens of widths 25, 15 and 8 mm and constant thickness 25 mm made of a 1% Cr MoV high temperature bolting steel. The three methods were: the compliance technique, and two curve fitting procedures which utilize solutions to the Bilby, Cottrell and Swinden-Dugdale model and are based upon the load/gauge length displacement and the load/external crack opening displacement. All three methods gave results in good agreement with each other. The fracture toughness values determined increased with decreasing crack length, the toughness for the shortest crack length (2.5 mm) was twice that for the longest (10.5 mm). This is associated with an observed increase in ductility on the fractured surfaces which were still predominantly cleavage in appearance. This rise in toughness value occurs for crack sizes from 6 to 8 times the characteristic length {ie233-1}. In ferritic steels the results imply that post yield failure analyses which use valid toughness values for assessing the integrity of plant containing shallow cracks may underestimate critical defect sizes and fracture loads. Hence safe results will be obtained provided failure is predominantly by a cleavage mechanism. There is also the possibility that toughness values obtained from data on invalid specimens may be greater than the fracture toughness values obtained from valid tests at the same temperature.

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Résumé Trois analyses après écoulement plastique ont été accomplies sur des données de rupture obtenues sur des éprouvettes de traction à entailles simples latérales de largeur 25, 15 et 8 mm d'épaisseur constante et en acier à 1% de CrMoV pour boulons à haute température. Ces trois méthodes étaient la technique de compliance et deux procédures d'ajustement de courbe utilisant les solutions appropriées au modèle de Bilby, Cottrell et Swinden-Dugdale et basées sur les rapports charge/déplacement d'une base de mesure et charge/COD extérieur. Ces trois méthodes ont donné des résultats en bon accord l'une avec l'autre. Les valeurs de ténacité à la rupture déterminées s'acroissent lorsque décroit la longueur de la fissure, la ténacité pour la longueur de fissure la plus courte (2,5 mm) étant double de celle relative à la fissure la plus longue (10,5 mm). Ceci est associé avec un accroissement décelable de la ductilité sur les surfaces de la rupture dont l'apparence demeure néanmoins essentiellement du clivage. Cet accroissement dans la valeur de la ténacité se produit pour des dimensions de fissure de 6 à 8 fois la longueur caractéristique {ie247-1}. Dans les aciers ferritiques, ces résultats impliquent que l'analyse de la rupture après déformation plastique utilisant des valeurs de la ténacité valides en vue de vérifier l'intégrité d'un composant comportant des fissures noyées risque de sous-estimer les dimensions critiques de défauts et les charges à la rupture. Dès lors, des résultats sûrs seront obtenus pour autant que la rupture soit principalement due à un mécanisme de clivage. Une autre possibilité est que les valeurs de la ténacité obtenues à partir de données sur des éprouvettes suspectes soient supérieures aux valeur de la ténacité à la rupture obtenues lors d'essais valables aux mêmes températures.

     

A method of extracting dynamic fracture toughness from CT tests

Recent research on methods of determining the dynamic fracture resistance for rapidly propagating cracks has progressed to the point where standardized testing procedures are being proposed. Because direct measurements of dynamic fracture resistances cannot be made, the resistances must be inferred from other measurement. In the present paper, an analysis which is fundamental to a method whereby the dynamic fracture toughness as a function of crack speed can be inferred from measurements of the specimen's end displacement at initiation of crack growth and of the total crack extension is described. All of the reference curves required for making the inference are developed for a standardized CT specimen. The procedure for using these curves to establish the dynamic fracture toughness-crack speed relationship and the minimum fracture toughness is given.

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Résumé Les recherches récentes sur les méthodes de détermination de la résistance à la rupture dynamique en présence de fissuration en cours de propagation rapide ont progressé à ce point que des procédures d'essai standards sont à présent proposées. Comme des mesures directes des résistances à la rupture dynamique ne peuvent être effectuées, les résistances doivent être déduites d'autres mesures. Dans le mémoire, on décrit une analyse qui constitue la base d'une méthode par laquelle la ténacité à la rupture dynamique en fonction de la vitesse de fissuration peut être déduite de mesures de déplacement de l'extrémité de l'échantillon lors de l'amorçage de la propagation de la fissure, et de mesures de l'extension totale de la fissure. Les courbes de référence requises pour établir cette déduction sont développées dans le cas d'éprouvettes standards CT. La procédure d'utilisation de ces courbes pour établir les relations qui lient la ténacité à la rupture dynamique et la vitesse de propagation de la fissure ainsi que la ténacité minimum à la rupture sont fournies.

     

The non-conservatism of the Weibull function when applied to the statistics of fracture toughness

It has become very clear that in many cases fracture toughness for a given material is variable; for example a quenched and tempered, high-strength low-alloyed steel such as might be used for the construction of pressure vessels for nuclear-power plants or off-shore platforms. Indeed for these materials fracture toughness can no longer be looked upon as a single-valued property at any given temperature but must rather be seen as a property with an inherent distribution of its values. The present paper shows that recent models for the distribution of toughness which are based on the two-parameter Weibull function are potentially dangerously non-conservative both for the estimation of low and medium values of toughness and for the estimation of the sizes of defects present in proof-tested parts.

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Résumé Il est devenu très clair que, dans de nombreux cas, la ténacité à la rupture d'un matériau est variable. Ainsi en est-il d'un acier à haute résistante faiblement allié, trempé et revenu, de la nuance utilisée pour la fabrication des capacités sous pression des centrales nucléaires, ou des composants de plateforme offshore.Pour ces matériaux, en effet, la ténacité à la rupture ne peut plus guère être considérée comme une propriété à valeur unique pour une température déterminée, mais doit plutôt être envisagée comme une propriété dont les valeurs répondent à une distribution qui lui est caractéristique.Le mémoire montre que les modèles récemment proposés pour décrire la distribution de la ténacité, qui sont basés sur une fonction de Weibull à deux paramètres, sont potentiellement empreints d'une dangereuse insécurité, pour l'estimation des valeurs inférieures et moyennes de la ténacité et pour l'estimation de la dimension des défauts présents dans les pièces soumises à essais.

     

The use of the J-integral in thermal stress crack problems

Methods of using the J-line integral to extract the magnitude of crack tip stress intensity factors from finite element solutions for thermal stress crack problems are presented. The properties of the J-line integral in the presence of thermal stresses are determined. From these properties a procedure for calculating crack tip stress intensity factors is developed. Also a superposition method involving crack surface tractions is presented for thermal stress crack problems. In this procedure the J-line integral path must include segments of the crack surface. All methods developed are illustrated by numerical examples.

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Résumé On présente des méthodes pour utiliser l'intégrale J linéaire afin de dériver l'amplitude des facteurs d'intensité de contraintes à l'extrémité d'une fissure à partir d'éléments finis et dans le cas de problème de fissuration par contrainte thermique. Les propriétés de l'intégrale J-linéaire en présence des contraintes thermiques sont déterminées. Pour ces propriétés, on développe une procédure pour le calcul des facteurs d'intensité de contraintes à l'extrémité de la fissure. On présente également une méthode par superposition conportant des tractions sur la surface de la fissure dans le cas de problèmes de fissuration sous contraintes thermiques. Suivant cette procédure, le chemin de l'intégrale J linéaire doit inclure des segments de la surface fissurée. Toutes les méthodes développées sont illustrées à l'aide d'exemples numériques.

     

Behaviour of fracture zones in notched concrete beams

The paper considers fracture zones in notched concrete beams ranging in depth from 100 mm to 500 mm, focussing on their size and on zone stresses. Using a simple model, average fracture zone stresses are calculated, and it is shown that significantly larger stresses occur in larger beams than in smaller beams. This helps to explain the observed notch-insensitivity of smaller beams, and the enhanced fracture toughness of larger beams. It appears that fracture zone stresses increase during fracture, but the influence of friction in the support rollers can affect the results. Stresses developed in fracture zones are characteristic of the type of cemented material being tested.

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Résumé L'etude concerne les zones de rupture dans des poutres de béton entaillées sur 100 à 500 mm, l'accent étant mis sur leurs dimensions et sur les contraintes qui y règnent. A l'aide d'un modèle simple, on calcule les contraintes moyennes de la zone de rupture, et on montre que des contraintes significativement plus grandes sont présentes dans les grandes poutres que dans les petites. Ceci contribue à expliquer l'insensibilité à l'entaille observée dans les petites poutres, et al ténacité à la rupture accrue dans les grandes. Il apparaît que les contraintes dans la zône de rupture augmentent en cours de rupture, mais que le frottement sur les rouleaux supports peut affecter les résuitats. Les tensions dans les zônes de rupture sont caractéristiques du type de ciment essayé.

     

Dynamic fracture initiation and propagation in 4340 steel under impact loading

Dynamic fracture initiation and propagation in 4340 steel was investigated experimentally using the optical method of reflected caustics combined with high speed photography. A new crack propagation testing configuration consisting of a three point bend specimen loaded in a drop weight tower was used. It was found that prior to crack initiation the stress intensity factor time record calculated using the dynamic tup load and a static formula disagrees with the actual stress intensity factor measured by caustics. During crack propagation, the crack tip velocity and stress intensity factor time records varied smoothly and repeatably allowing for a straightforward interpretation of the data. The experiments show that for the particular heat treatment of 4340 steel used, the dynamic fracture propagation toughness depends on crack tip velocity through a relation that is a material property.

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Résumé On a étudié par voie expérimentale l'amorçage dynamique et la propagation d'une rupture dans de l'acier 4340, en utilisant une méthode optique de caustiques réfléchies, combinée à l'emploi de la photographie à grande vitesse.On a utilisé une nouvelle configuration d'essai de propagation de fissure, consistant en une éprouvette de flexion sur trois points mise en charge dans une installation d'essai Drop Weight. On a trouvé qu'avant amorçage de la tissure l'évolution dans le temps du facteur d'intensité de contraintes, calculée en utilisant l'impact de la charge dynamique et une formule applicable en conditions statiques, n'est pas en accord avec le facteur réel d'intensité de contraintes mesuré par la méthode des caustiques.Au cours de la propagation de la propagation de la fissure, les enregistrements de la vitesse de l'extrémité de la crique et de l'évolution dans le temps du facteur d'intensité de contraintes varient de manière monotone et reproductible, ce qui permet une interprétation immédiate des données d'essais. Ces derniers montrent que, pour le traitement thermique particulier considére pour la nuance 4340, la ténacité vis-à-vis de la propagation d'une rupture dynamique dépend de la vitesse de l'extrémité de la crique, via une relation que est fonction des propriétés du matériau.

     

Application of the principles of linear fracture mechanics to the composite materials

Application of the principles of linear fracture mechanics to the orthotropic composite materials is examined. It is shown that fracture toughness of unidirectional composites is independent of crack length but dependent on crack-fiber orientation. For experimental verification of the above principles, uni-directional glass epoxy material (Scotchply 1002) was used. The fracture toughness of Scotchply 1002 for different crack-fiber orientations is obtained by utilizing Solid Sap finite element program and compact tension specimens. An empirical formula relating the fracture toughness of the material for different crack-fiber orientation is found.

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Résumé On examine l'application du principe de la mécanique linéaire de rupture aux matériaux composites orthotropes. On montre que la ténacité à la rupture de composites unidirectionnels est indépendante de la longueur de la fissure mais dépend de l'orientation des fibres par rapport à cette fissure. Pour vérifier de manière expérimentale les principes ci-dessus, on a utilisé un matériau en verre epoxy unidirectionnel (Scotchply 1002). La ténacité à la rupture du Scotchply 1002 pour différentes orientations fibre/fissure a été obtenue en utilisant un programme à élément fini Solid Sap et des éprouvettes de traction compactes. On a trouvé une formule empirique mettant en relation la ténacité à la rupture du matériau pour différentes orientations fibre/fissure.

     

An analysis of the crack tip stress field in DCB adhesive fracture specimens

The problem of a cracked adhesive bonded DCB-type fracture specimen has been analyzed using a hybrid stress model finite element analysis which incorporates an advanced crack tip element. Stresses in the near and far fields have been studied as a function of adherend/adhesive modulus ratio and adhesive thickness. The results are compared to monolithic systems with regard to the stress intensity factor and the localization of the singular stress domain associated with the crack tip.

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Résumé Le problème d'une éprouvette de rupture Double Poutre Cantilever comportant une liaison par adhésif fissurée a été analysée en utilisant un modèle de contrainte hybride et une analyse par élément fini qui incorpore un élément particulier à la pointe de la fissure. Les contraintes dans le champ proche et dans le champ éloigné ont été étudiées en fonction du rapport des modules de l'adhésif et de l'adhérent, et de l'épaisseur de l'adhésif. Les résultats sont comparés à un système monolitique en ce qui regarde le facteur d'intensité des contraintes et la localisation du domaine singulier des contraintes associé à l'extrémité de la fissure.

     

Unstable fracture criterion in a power-law hardening material

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

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

     

Effect of decohesion and sliding on bimaterial crack-tip fields

This work is concerned with the analytical characterization of the effect of bond decohesion and sliding on the fields surrounding the tip of an interface crack. We consider the two-dimensional problem of an interface crack along the bond between a pair of linearly elastic materials. The interface itself has a nonlinear constitutive property: it has maximum load carrying capacities in both tension normal to the bond and in shear. The interface therefore has the ability to slide and separate inelastically without loss of integrity. The effects of these physically motivated assumptions are deduced and discussed. Further impetus for this study stems from the recent resurgence of interest in interfacial fracture mechanics. This interest is partly driven by the desire to understand and alleviate the pathological difficulties associated with the crack-tip fields predicted by the linear theory of elasticity. By accounting for possible interfacial nonlinear behavior, we are able to find that near-tip fields are free of the offensive properties alluded to above.

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Résumé On considère le problème à deux dimensions d'une fissure d'interface suivant la liaison entre deux matériaux élastiques linéaires, et la caractérisation analytique de l'effet d'une décohésion et d'un glissement de cette liaison sur le champ entourant l'extrémité de la fissure d'interface.Ce dernier possède lui-même une propriété constitutive non linéaire et présente une capacité de chargement maximum à la fois suivant une traction normale par rapport au joint et en cisaillement. Dès lors, l'interface peut glisser ou se séparer de manière inélastique sans perte de l'intégrité de la liaison. Ces hypothèses physiques ont des effets qui sont discutés. Une telle étude est stimulée par le regain récent d'intérêt pour la mécanique de rupture des interfaces, en partie dû au désir de comprendre et d'alléger les difficultés auxquelles conduit une prédiction des champs à l'extrémité d'une fissure en se basant sur la théorie linéaire de l'élasticité. En prenant en compte la possibilité d'un comportement non linéaire de l'interface, on est à même de trouver que les champs au voisinage de l'extrémité de la fissure ne présentent pas de propriétés adverses.

     

A fracture mechanics study of creep induced embrittlement

Methods which have been used to study creep induced embrittlement are reviewed and a new method based on the use of fracture mechanics concepts is proposed. It is suggested that fracture toughness, as measured by J _IC, be used to follow the embrittlement process. Exploratory tests are conducted on a Cr–Mn steel and the results are presented to illustrate the procedure.The implications of a time dependent fracture toughness with regard to critical crack length are examined. The effect on a characterization of the conditions for a transition from stable creep crack growth to unstable crack extension is also discussed.

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Résumé On passe en revue les méthodes qui ont été utilisées pour étudier la fragilisation en cours de fluage et une nouvelle méthode basée sur l'utilisation des concepts de mécanique de rupture est proposée. On suggère que la ténacité à la rupture, mesurée par J_Ic, soit utilisée pour suivre le processus de fragilisation. Des essais exploratoires sont conduits sur un acier au Cr–Mn et les résultats sont présentés de manière à illuster la procédure.Les implications d'une ténacité à la rupture dépendante du temps en fonction de la longueur de fissures critiques sont examinées. On discute également de la manière de tenir compte dans une caractérisation de la transition entre la croissance stable d'une fissure de fluage et son extension instable.

     

A central crack element in fracture mechanics

Crack tip elements integrated with finite element methods are commonly used to determine the two-dimensional crack tip stress fields in fracture mechanics. In this paper a new element is presented which leads to highly accurate and economical solutions. This central crack element is arbitrary in shape, contains the entire crack and treats mixed mode fields. Numerical examples are presented where this element was used in conjunction with the global-local finite element method to illustrate the accuracy and efficiency of the central crack element.

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Résumé Un réseau d'éléments situés à la pointe d'une fissure est souvent utilisé dans les méthodes par élément fini pour déterminer les champs de contraintes à deux dimensions à la pointe d'une fissure et leur influence sur la mécanique de la rupture. Dans ce mémoire, on présente une configuration nouvelle qui conduit à des solutions de haute précision et dont le traitement est très économique. L'élément central par rapport à la fissure présente une forme arbitraire, contient l'ensemble de la fissure et est relatif à des champs de mode mixte. On présente des exemples numériques où cet élément est utilisé en association avec une méthode par éléments finis globale-locale en vue d'illustrer la précision et l'efficacité de l'élément central présenté.

     

Influence of prior-austenite grain size and fracture mode on the fracture toughness of 12% Cr steel

The prior-austenite grain size of a 12% Cr steel has been varied by altering the austenitising temperature. The effect of these variations on the K _Ic fracture toughness has been studied for the as-quenched condition and after subsequently tempering at temperatures up to 550°C. The fact that different fracture modes occurred within this range of heat-treatment has allowed the effect of grain size variations on fracture toughness to be compared for specific fracture morphologies.

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Résumé En modifiant la température d'austénitisation d'un acier à 12% Cr, on a fait varier son grain austénitique primaire et l'on a étudié l'effet de ces variations sur la ténacité à la rupture K _Ic dans l'état brut de trempe et après des revenus allant jusqu'à 550°C. Pour ces divers traitements thermiques, on a constaté des modes de rupture différents, ce qui a permis d'évaluer les effets de variations de la taille du grain sur la ténacité à la rupture, pour des morphologies de rupture bien spécifiques.