Since standardized fracture test specimens cannot be easily extracted from in-service components, several alternative fracture toughness test methods have been proposed to characterize the deformation and fracture resistance of materials. One of the more promising alternatives is the local approach employing the SP(Small Punch) testing technique. However, this process has several limitations such as a lack of anisotropic yield potential and tediousness in the damage parameter calibration process. The present paper investigates estimation of ductile fracture resistance(J-R) curve by FE(Finite Element) analyses using an anisotropic damage model and enhanced calibration procedure. In this context, specific tensile tests to quantify plastic strain ratios were carried out and SP test data were obtained from the previous research. Also, damage parameters constituting the Gurson-Tvergaard-Needleman model in conjunction with Hill's 48 yield criterion were calibrated for a typical nuclear reactor material through a genetic algorithm. Finally, the J-R curve of a standard compact tension specimen was predicted by further detailed FE analyses employing the calibrated damage parameters. It showed a lower fracture resistance of the specimen material than that based on the isotropic yield criterion. Therefore, a more realistic J-R curve of a reactor material can be obtained effectively from the proposed methodology by taking into account a reduced load-carrying capacity due to anisotropy.
In this paper, utilizing the theory of ductile fracture a chevron crack in a 4-stage open cold extrusion process is predicted by the finite element methods and then compared with previous experiments. The normalized Cockcroft-Latham damage model is employed and the material is identified using a tensile test based material identification technique that gives fracture information as well as flow stress at large strain. A large difference between the predicted cracks and actual experiments is observed, specifically narrower width and greater maximum height of the crack. This reveals the limitation of this approach based on the conventional theory of ductile fracture. Based on the observations and the related criticisms, a new approach for predicting the chevron crack is proposed, suggesting that either the critical damage should not be a fixed material constant, or that the conventional fracture theory should be considered with the effects of embrittlement due to accumulated plastic deformation while the duration of crack generation and plastic deformation should be reduced.
In this study, considering dissipated energy in fracture process zone (FPZ), a novel criterion based on maximum strain energy release rate (SER) for orthotropic materials is presented. General case of in-plane loading for cracks along the fibers is assumed. According to the experimental observations, crack propagation is supposed along the fibers and the reinforcement isotropic solid (RIS) concept is employed as a superior model for orthotropic materials. SER in crack initiation and propagation phases is investigated. Elastic properties of FPZ are extracted as a function of undamaged matrix media and micro-crack density. This criterion meaningfully links between dissipated energy due to toughening mechanisms of FPZ and the macroscopic fracture by defining stress intensity factors of the damaged zone. These coefficients are used in equations of maximum SER criterion. The effect of crack initiation angle and the damaged zone is considered simultaneously in this criterion and mode II stress intensity factor is extracted in terms of stress intensity factors of damage zone and crack initiation angle. This criterion can evaluate the effects of FPZ on the fracture behavior of orthotropic material. Good agreement between extracted fracture limit curves (FLC's) and available experimental data proves the ability of the new proposed criterion.
Recently, magnesium alloys have been widely used in the automotive, aerospace and electronics industries with the advantages of high specific strength, excellent machinability, high electrical conductivity, and high thermal conductivity. Deep drawn magnesium alloys not only meet the demands environmentally and the need for lighter products, but also can lead to remarkably improved productivity and more rapid qualification of the product The current study reports on a failure prediction procedure using finite element modeling (FEM) and a ductile fracture criterion and applies this procedure to the design of a deep drawing process. Critical damage values were determined from a series of uniaxial tensile tests and FEM simulations. They were then expressed as a function of strain rate and temperature. Based on the plastic deformation histories obtained from the FEM analyses of the warm drawing process and the critical damage value curves, the initiation time and location of fracture were predicted. The proposed method was applied to the process design for fabrication of a Mg automotive compressor case and verified with experimental results. The final results indicate that a Mg case part 39% lighter than an Al die casting part can be produced without any defects.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제4권1호
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pp.30-36
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2003
Brittle materials such as glasses and ceramics, which are very weak under impact loading, show fragile failure mode due to their low fracture toughness and crack sensitivity. When brittle materials are subjected to impact by small spheres, high contact pressure occurs at the impacted surface causing local damage on the specimen. This damage is a dangerous factor in causing the final fracture of structures. In this research, the crack propagation process of soda-lime glass by the impact of small spheres is explained and the effects of several constraint conditions for impact damage were studied by using soda-lime glass; that is, the effects for the materials and sizes of impact ball, thickness of specimen and residual strength were evaluated. Especially, this research has focused on the damage behavior of ring cracks, cone cracks and several other kinds of cracks.
This paper presents a comprehensive integrity assessment of welded structural components, including uniform high- and low-cycle fatigue assessment of welded plate joints and fatigue-induced fracture assessment of welded plate joints. This study reports a series of fatigue and fracture tests of welded plate joints under three-point bending. To unify the assessment protocol for high- and low-cycle fatigue of welded plate joints, this study develops a numerical damage assessment framework for both high- and low-cycle fatigue. The calibrated damage material parameters are validated through the smooth coupon specimens. The proposed damage-based fatigue assessment approach describes, with reasonable accuracy, the total fatigue life of welded plate joints under high- and low-cycle fatigue actions. Subsequently, the study performs a tearing assessment on the ductile crack extension of the fatigue-induced crack. The tearing assessment diagram derives from the load-deformation curve of a single-edge notched bend, SE(B) specimen and successfully predicts the load-crack extension relation for the reported welded plate joints during the stable tearing process.
Continuous fiber ceramic composites (CFCCs) have advantages over monolithic ceramics : Silicon Nitride composites are not well used for application because of their low fracture toughness and fracture strength, but CFCCs exhibit increased toughness for damage tolerance, and relatively high stiffness in spite of low specific weight. Thus it is important to characterize the fracture resistance and properties of new CFCCs materials. Tensile and flexural tests were carried out for mechanical properties and the fracture resistance behavior of a SCS6 fiber reinforced Si$_3$N$_4$ matrix CFCC was evaluated. The results indicated that CFCC composite exhibit a rising R curve behavior in flexural test. The fracture toughness was about 4.8 MPa$.$m$\^$1/2 , which resulted in a higher value of the fracture toughness because of fiber bridging. Mechanical properties as like the elastic modulus, proportional limit and the ultimate strength in a flexural test are greater than those in a tensile test. Also a numerical modeling of failure process was accomplished for a flexural test. This numerical results provided a good simulation of the cumulative fracture process of the fiber and matrix in CFCCs.
The HPFRCCs show the multiple crack and damage tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For practical application, it is needed to investigate the fractural behavior and of HPFRCCs and understand the micro-mechanism of cement matrix with reinforcing fiber. The objectives of this paper are to examine the compressive behavior, fracture and damage process of HPFRCC by acoustic emission technique. Total four series were tested, and the main variables were the hybrid type, polyethylene (PE) and steel cord (SC), and fiber volume fraction. The damage progress by compressive behavior of the HPFRCCs is characteristic for the hybrid fiber type and volume fraction. And from acoustic emission (AE) parameter value, it is found that the second and third compressive load cycles resulted in successive decrease of the ring-down count rate as compared with the first compressive load cycle.
Do, Xuan Nam;Ibrahimbegovic, Adnan;Brancherie, Delphine
Coupled systems mechanics
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제4권3호
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pp.211-235
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2015
In this work we present a one-dimensional damage model capable of representing the dynamic fracture for elastodamage bar with combined hardening in fracture process zone - FPZ and softening with embedded strong discontinuities. This model is compared with another one we recently introduced (Do et al. 2015) and it shows a good agreement between two models. Namely, it is indicated that strain-softening leads to a sensitivity of results on the mesh discretization. Strain tends to localization in a single element which is the smallest possible area in the finite element simulations. The strain-softening element in the middle of the bar undergoes intense deformation. Strain increases with increasing mesh refinement. Strain in elements outside the strain-softening element gradually decreases to zero.
응력하에서 암석 및 암반의 변형특성의 원인이되는 손상발달에 대한 이해는 지질공학 및 토목공학에 있어서 매우 중요하다. 지금까지의 연구에서 본면 실험전과 후의 관찰로서 응력하의 미소손상발달에 대한 연구는 아직 미미한 실절이다. 그러므로 응력하에서 손상과 정을 직접 관찰하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 응력하 중립질 화강암의 미소손상에 대한 보다 정확한 이해를 위해 미소손상집중, 발생 및 진전등에 석영과 장석의 접촉면에서 새로이 개발한 실험장치에의해 상세히 관찰되었다. 그 결과 두입자의 elastic mismatch 와 Hertzian fracture mechanice에 의해 잘 설명된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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