In this study a new analytical model which can describe the relationship between the bridging stress and microstructure has beenproposed in order to investigate the microstructural effect on the R-curve behavior in polycrystalline aluminas since the R-curve can be derived via the bridging stress function. In the currently developed model function the distribution of grain size is considered as a microstructural factor in modeling of bridging stress function and thus the bridging stress function including three constants PM, n, and Cx, can be established analytically and quantitatively. The results indicate that the n value is closely related to the grain size distribution thereby providing a reliability of the current model for the bridging stress analysis. Thus this model which explains the correlation of the bridging stress distribution and microstructual parame-ters is useful for the systematic interpretation of microfracture mechanism including the R-curve behavior in polycrystalline aluminas.
A new analytical model which can discribe the relationship between the bridging stress and the crack opening displacement was proposed to investigate the microstructural effect on the R-curve behavior in a polycrystalline alumina. The crack opening displacement according to the distance behind the stationary crack tip was measured using in-situ fracture technique in an SEM, and then used for a fitting procedure to obtain the distribution of bridging stress. The current model and an empirical power law relation were introduced into the fitting procedure. The results indicated that the bridging stress function and R-curve computed by the current model were consistent with those computed by the power law relation. The microstructural factor, e.g., the distribution of grain size, was also found to be closely related to the bridging stress. Thus, this model explained well the interaction effect between the distribution of bridging stress and the local-fracture-controlling microstructure, providing important information for the systematic interpretation of microfracture mechanism including R-curve behavior of a monolithic alumina.
This study aims at developing the double cantilever beam (DCB) method in order to calculate the bridging stress distribution in polycrystalline aluminas with different grain sizes. In the already existing DCB methods the measured crack opening displacement (COD) in coarse-grained aluminas deviates generally from the calcula-ted one because of the grain-interface bridging in the crack wake. In the current DBC method developed in the present study the effect of the bridging stress was considered in the DCB analysis. whereas the only effect of applied point-loading at the end of DCB specimen was taken into account in the existing DCB analysis The crack closure due to bridging stress was calculated using the power-law relation and the theoretical model developed in Part I of the present paper as bridging stress function and then compared analytically. The limitations of the current DCB methods such as specimen dimensions applied loads and elastic modulus were discussed in detail to provide a reliability of the newly developed DCB analysis for the bridging stress distribu-tion in polycrystalline aluminas.
The purpose of the present study is to investigate the microstructural effect on the R-curve behavior in three aluminas with different grain size distributions by analyzing the bridging stress distribution. The crack opening displacement (COD) according to the distance behind the stationary crack tip was measured using an in situ SEM fracture method. The measured COD values in the fine-grained alumina agreed well with Wiederhorn's sollution while they deviated from Wiederhorn's solution in the two coarse-grained aluminas because of the increase of the crack closure due to the grain interface bridging in the crack wake. A numerical fitting procedure was conducted by the introduction of the power-law relation and the current theoretical model together with the measured COD's in order to obtain the bridging stress distribution. The results indicated that the bridging stress function and the R-curve computed by the current model were consistent with those computed by the power-law relation providing a reliable evidence for the bridging stress analysis of the current model. The strain-softening exponent in the power-law relation n, was calculated to be in the range from 2 to 3 and was closely related to the grain size distribution. Thus it was concluded from the current theoretical model that the grain size distribution affected greatly the bridging stress distribution thereby resulting in the quantitative analysis of microfracture of polycrystalline aluminas through correlating the local-fracture-cont-rolling microstructure.
A cracked plate with a patch bonded on one side was treated with a crack-bridging model using weight function: assuming continuous distribution of springs acting between th crack surfaces, the stress intensity factor of the patched crack was numerically obtained. Especially in the case of a patched crack subjected to residual non-uniform stress, the stress intensity factor was easily with the corresponding approximate weight function. This paper presented the stress intensity factors for a crack partially patched within a finite plate or a patched crack initiated from a notch.
A cracked-plate with a patch bonded on one side is treated with a crack-bridging model: assuming continuous distribution of springs acting between crack surfaces. the approximate weight function was introduced to obtain the stress intensity factor of patched crack subjected to residual stress or non-uniform stress. The stress intensity factors for the partially patched crack within finite plate or the patched crack initiated from a notch were successfully obtained by numerical calculation.
This paper presents a prediction and simulation method of tensile stress-strain curves of Engineered Cementitious Composites (ECC). For this purpose, the bridging stress and crack opening relations were obtained by the fiber bridging constitutive law which is quantitatively able to consider the fiber distribution characteristics. And then, a multi-linear model is employed for a simplification of the bridging stress and crack opening relation. In addition, to account the variability of material properties, randomly distributed properties drawn from a normal distribution with 95% confidence are assigned to each element which is determined on the basis of crack spacing. To consider the variation of crack spacing, randomly distributed crack spacing is drawn from the probability density function of fiber inclined angle calculated based on sectional image analysis. An equation for calculation of the crack spacing that takes into quantitative consideration the dimensions and fiber distribution was also derived. Subsequently, a series of simulations of ECC tensile stress-strain curves was performed. The simulation results exhibit obvious strain hardening behavior associated with multiple cracking, which correspond well with test results.
Fracture toughness of particulate composites of Al2O3/SiC, Al2O3/ZrO2 and Al2O3/ZrO2/SiC was analysed theoretically. According to the suggested particle bridging model for obtaining the R-curve height, the crack extension resistance for the long crack was linearly proportional to the residual calmping stress at the interface between the second phase and the matrix. It was also a function of the particle size and the content. It was confirmed that the rising R-curve behavior of Al2O3 containing 30 vol% SiC particles of 3${\mu}{\textrm}{m}$ was owing to the strong crack bridging by SiC particles. For Al2O3/ZrO2/SiC composites, the tensional stress from the 3${\mu}{\textrm}{m}$ SiC particles was large enough to activate the spontaneous transformation of the ZrO2. The crack extension resistance due to the particle bridging mechanism did not seem to be affected much by the coupled toughening, but its resultant toughness increase could be significantly smaller due to the dependency on the matrix toughness.
A simple method was suggested to calculate the stress intensity factor for a one-sided patched crack with finite thickness. To consider out-of-plane bending effect resulting from the load-path eccentricity, the spring constant as a function of the through-thickness coordinate z was calculated from the stress distribution in the un-cracked plate, ${\sigma}_{yy}(y=0,\;z)$, and the displacement for the representative single strip Joint, $u_y(y=0,\;z)$. The stress Intensity factors were obtained using Rose's asymptotic solution approach and compared with the finite element results. In short crack region, two results had a little difference. However, two results were almost same in long crack region. On the other hand, the stress intensity factor using plane stress assumption was more similar to finite element result than plane strain condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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