Top Banner
Natural Sciences Tripos Part II MATERIALS SCIENCE C15: Fracture and Fatigue Dr C. Rae Lent Term 2012-13 II Name............................. College..........................
72
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: C15H

Natural Sciences Tripos Part II

MATERIALS SCIENCE

C15: Fracture and Fatigue

Dr C. Rae

Lent Term 2012-13

II

Name............................. College..........................

Page 2: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

1  

C15:    FRACTURE  AND  FATIGUE      Catherine  Rae  9  Lectures    Synopsis    Introduction:    This  course  examines  the  use  of  fracture  mechanics  in  the  prediction  of  mechanical  failure.    We  explore  the  range  of  macroscopic  failure  modes;  brittle  and  ductile  behaviour.  We  take  a  closer  look  at  fast  fracture  in  brittle  and  ductile  materials  –  characteristics  of  fracture  surfaces;  inter-­‐granular  and  intra-­‐granular  failure,  cleavage  and  micro-­‐ductility.    We  describe  the  range  of  fatigue  failure  and  apply  fracture  mechanics  to  the  growth  of  fatigue  cracks.        Introduction:    Revision  of  concept  of  energy  release  rate,  G,  and  fracture  energy,    R.    Obreimoff’s  experiment.    Timeline  for  developments.    Linear  Elastic  Fracture  Mechanics,  (LEFM).    We  look  at  the  three  loading  modes  and  hence  the  state  of  stress  ahead  of  the  crack  tip.    This  leads  to  the  definition  of  the  stress  concentration  factor,  stress  intensity  factor  and  the  material  parameter  the  critical  stress  intensity  factor.      Superposition  principle,  prediction  of  crack  growth  direction.    Plasticity  at  the  crack  tip  and  the  principles  behind  the  approximate  derivation  of  plastic  zone  shape  and  size.    Limits  on  the  applicability  of  LEFM.  The  effect  of  Constraint,  definition  of  plane  stress  and  plane  strain  and  the  effect  of  component  thickness.        Concept  of  G  -­‐  R  curves,  measuring  G  and  K.    Elastic-­‐Plastic  Fracture  Mechanics;  (EPFM).    The  definition  of  alternative  failure  prediction  parameters,  Crack  Tip  Opening  Displacement,  and  the  J  integral.    Measurement  of  parameters  and  examples  of  use.    The  effect  of  Microstructure  on  fracture  mechanism  and  path,  cleavage  and  ductile  failure,  factors  improving  toughness,      Fatigue:  definition  of  terms  used  to  describe  fatigue  cycles,  High  Cycle  Fatigue,  Low  Cycle  Fatigue,  mean  stress  R  ratio,  strain  and  load  control.    S-­‐N  curves.      Total  life  and  damage  tolerant  approaches  to  life  prediction,  Paris  law.      Adapting  data  to  real  conditions:  Goodmans  rule  and  Miners  rule.    Micro-­‐mechanisms  of  fatigue  damage,  fatigue  limits  and  initiation  and  propagation  control,  leading  to  a  consideration  of  factors  enhancing  fatigue  resistance.    Factors  affecting  crack  growth  rates.        

Page 3: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

2  

Booklist:    T.L.  Anderson,  Fracture  Mechanics  Fundamentals  and  Applications,  3rd  Ed.  CRC  press,  (2005)  (Fracture  mechanics  and  it’s  application  to  fatigue,  very  thorough  and  readable)    B.  Lawn,  Fracture  of  Brittle  Solids,  Cambridge  Solid  State  Science  Series  2nd  ed  1993.  (Exactly  as  it  says  on  the  label  very  good  on  LEFM)    J.F.  Knott,  P  Withey,  Worked  examples  in  Fracture  Mechanics,  Institute  of  Materials.    (Excellent  short  summary  of  fracture  mechanics  and  good  worked  examples)    H.L.  Ewald  and  R.J.H.  Wanhill  Fracture  Mechanics,  Edward  Arnold,  (1984).    (Provides  very  clear  explanations  –  different  perspective  from  Anderson)      S.  Suresh,  Fatigue  of  Materials,  Cambridge  University  Press,  (1998)    (Excellent  on  fatigue  but  not  very  readable)    G.  E.  Dieter,  Mechanical  Metallurgy,  McGraw  Hill,  (1988)  (Good  entry-­‐level  text  on  mechanical  properties)    

Page 4: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

3  

FRACTURE  AND  FATIGUE      SYNOPSIS    This  course  examines  the  use  of  fracture  mechanics  in  the  prediction  of  mechanical  failure.    We  explore  macroscopic  failure  modes;  brittle  and  ductile  behaviour,  and  take  a  closer  look  at  fast  fracture  in  brittle  and  ductile  materials  –  characteristics  of  fracture  surfaces;  inter-­‐granular  and  intra-­‐granular  failure,  cleavage  and  micro-­‐ductility.          Fatigue  causes  90%  of  engineering  failures:  we  examine  how  we  characterise  the  susceptibility  of  materials  to  fatigue  and  estimate  lifetimes.        GRIFFITH’S  THEORY,  REVISION  FROM  1B  COURSE.    Griffith’s  Theory  provides  the  thermodynamic  or  energetic  criterion  for  failure:  it  does  not  consider  the  mechanism  by  which  failure  occurs.    The  basic  premise  is  that  a  crack  will  propagate  in  a  material  when  the  elastic  energy  released  as  a  result  of  that  propagation  exceeds  the  energy  required  to  propagate  the  crack.    In  the  first  instance  just  the  surface  energy  needed  to  create  two  new  surfaces  was  considered,  but  this  applies  only  to  ideal  brittle  solids  i.e.  those  where  fracture  occurs  without  any  plastic  deformation.    Subsequently  this  was  widened  to  include  the  work  required  to  perform  the  plastic  deformation  associated  with  ductile  failure  and,  in  principle,  can  include  any  work  necessary  such  as  de-­‐cohesion  on  composites  phase  changes  etc.        

σ

σ

2a

   

If  we  introduce  a  crack  of  length  2a  into  an  infinite  plate  of  thickness  B  under  a  uniform  stress  σ,  the  elastic  stresses  relax  around  the  crack  and  reduce  the  elastic  potential  energy  UE  stored  in  the  plate.  Extra  surface  is  created  at  the  crack,  US,  and,  if  the  grips  are  fixed,  no  external  work,  UF,    is  done  by  the  applied  force,  UF  =  0.    

 ( ) sEF UUUaU ++=      

Page 5: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

4  

 At  equilibrium:    

dUda

=dUE

da+

dUS

da= 0  

 The  change  in  the  potential  energy  is  estimated  from  an  elastic  analysis  of  the  stresses  around  the  crack:  

UE ≈ −πσ2a2B

E          

And  the  work  done  to  propagate  the  crack  is:    

sS aB4U γ=            

Where  the  area  of  the  crack  is  2aB,    the  surface  area  is  4aB  and  the  surface  energy  is  γs.    

Thus:    d(UE )da

= −2Bπσ 2aE

  and    

dUS

da= 4Bγs  :          

hence:            Ea22

sπσ

=γ            

 

Rearranging:    aE2 s

π

γ=σ         Griffith’s  Equation  

     This  is  for  an  ideal  brittle  solid;  for  a  ductile  material  the  plastic  work  of  deformation  gp  ,  is  introduced:    

     a

E)2( ps

π

γ+γ=σ            

 Modification  of  the  fracture  criterion  to  include  plastic  work  leads  to  the  more  general  definition  of  the  energy  release  rate  or  the  crack  extension  force:    G.    This  is  the  change  in  the  potential  energy,  U,  of  the  system  per  unit  increase  in  crack  area,  A,  and  has  the  dimensions  of  force/length.    

Energy  Release  Rate:    

G = −dUdA

= −dU

2Bda= −

πσ2aE

       

 According  to  Griffiths  crack  extension  occurs  when  this  equals  the  work  to  fracture,  2γs  +  γp  .        

psc 2GG γ+γ==          

Gc  is  a  material  constant  and  a  measure  of  the  fracture  toughness.      The  RHS  is  the  resistance  to  crack  growth  termed  R  where  R  =  2γs  +  γp.    Very  few  fractures  are  truly  brittle  i.e.  have  no  permanent  deformation,  but  fracture  is  still  determined  by  the  energy  balance  and  the  energy  driving  the  cracking  process  is  still  the  elastic  energy  stored  in  the  cracked  body.  Fast  fracture  is  a  more  accurate  term  than  ‘brittle’  fracture  to  use  for  rapid  failure.    Where  local  deformation  occurs  the  cracking  process  is  not  reversible  but  we  can  deal  with  a  great  many  materials  and  situations  using  simple  elastic  assumptions.    This  is  known  as  linear  elastic  fracture  mechanics.        

Page 6: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

5  

OBREIMOFF’S  EXPERIMENT    A  real  example  illustrates  two  important  points:  firstly  that  brittle  fracture  is  reversible  under  the  right  circumstances  and  secondly,  that  whether  it  occurs  or  not  is  governed  by  balancing  stored  elastic  energy  with  the  work  of  fracture.    In  1930  Obreimoff  split  a  thin  sheet  of  mica  off  a  larger  piece  by  inserting  a  wedge  of  thickness  h  beween  the  layers.  The  crystal  cleaves  along  the  weak  interfaces  between  the  layers  to  give  a  thin  upper  fillet  and  a  thick  lower  section.  As  the  wedge  is  driven  into  the  crack  the  crack  grows  to  keep  the  length  constant.    The  elastic  energy  stored  as  the  wedge  is  forced  into  the  open  crack  is  principally  in  the  thin  upper  fillet,  and  is  balanced  by  the  cohesive  forces  at  the  crack  tip.    The  crack  opens  until  these  are  balanced.    The  energy  is  calculated  easily  from  the  elastic  properties  of  the  mica,  and  the  geometry  of  the  set-­‐up.        

   The  elastic  strain  in  the  cantilever  is  given  by  beam  theory:    

U = UE =Ed3h2

8a3     where  the  constants  are  given  in  the  diagram.  

 The  surface  energy  needed  to  grow  the  crack  is      

US = 2aγ      where  γ  is  the  surface  energy.    

Equating  the  elastic  energy  to  the  surface  energy  gives  an  equilibrium  crack  length  ao  of:    

ao = 3Ed3h2 /16γ4    

   As  the  wedge  is  withdrawn  the  crack  closes  and  the  damage  is  pretty  much  repaired  if  the  process  is  done  in  vacuum.    This  can  be  shown  by  reopening  the  crack  and  noting  that  the  value  of  ao  for  the  re-­‐opened  crack  is  almost  the  same.    As  air  and  moisture  are  introduced,  the  quality  of  the  ‘repair’  deteriorates  and  the  equilibrium  length  ao  increases.

Page 7: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

6  

   TIME  LINE    

Fatigue   Fracture      

  ~1500   -­‐  Leonardo  da  Vinci  –  failure  stress  of  iron  wires  depends  on  length  –  i.e.  on  probability  of  flaw  

1842     -­‐  Railway  accident  Versailles  -­‐  failure  of  axle  

1843     -­‐  significance  of  fatigue  striations  recognized  WJM  Rankin  

1852-­‐1869     -­‐  Wohler  systematic  experiments  on  bending  and  torsion      development  of  S-­‐N  curves  

1874    &  1899     Gerber  and  Goodman  –  life  prediction  methodologies  

1886     Baushinger  effect  noted  

1900     Ewing  and  Rosenberg  –  recognition  of  persistent  slip  bands  extrusions  and  intrusions  

  1913   Inglis  –  elastic  stress  field  around  elliptical  hole  

  1920   Griffiths  equation  for  brittle  materials  

  1930  

1938  

Obreimoff’s  experiment    

Westergaarde  –  elastic  solution  of  the  stress  distribution  at  a  sharp  crack  

  1945   Constance  Tipper  and  the  Liberty  ships  -­‐  Recognition  of  the  Ductile  –Brittle  transition  ‘Tipper  test’  and  the  role  of  crystal  structure  in  failure  

1945     Minor  –  accumulation  of  fatigue  damage  

1953  -­‐54     Comet  airliner  losses  due  to  fatigue  failure    

1954     Coffin  Manson  empirical  laws  for  HCF  and  LCF  

1956   1956   Wells  applies  fracture  mechanics  to  fatigue  to  explain  the  Comet  fatigue  fractures  

  1956   Irwin  –  development  of  the  concept  of  energy  release  rate  based  on  Westergarde’s  work  

1956     Demonstration  of  the  role  of  PSB  in  initiating  fatigue  failure  

1957     Fracture  mechanics  predicts  disc  failures  for  GE  

1960   1960   Paris  law  relating  the  crack  growth  rate  to  the  stress  intensity  factor  

  1960-­‐61   Irwin/Dugdale/Wells  –  development  of  LEFM  and  effect  of  plastic  zone  size  and  shape  

  1968   Proposal  of  the  J  integral  by  rice  and  the  CTOD  by  Wells  to  cope  with  the  failure  of  ductile  materials  

  1976   Shih  and  Hutchinson  establish  the  theoretical  basis  of  the  J-­‐Integral  and  link  it  to  the  CTOD  

1980  →     Chaboche  Development  of  time  dependant  fracture  –  interactions  between  creep  and  fatigue.  

Page 8: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

7  

LINEAR  ELASTIC  FRACTURE  MECHANICS    When  a  crack  occurs  in  a  material  the  local  stress  around  the  crack  is  raised.  LEFM  relies  on  the  sufficient  of  the  specimen/component  being  elastic  such  that  the  energy  release  rate  can  be  calculated  from  the  elastic  displacements  around  the  crack  tip.    Hence  if  you  can  solve  for  the  elastic  stress  in  any  configuration  you  can  (in  principle)  calculate  G  from  –  dUE/da.          STRESS  CONCENTRATION  AT  FEATURES    In  some  simple  situations  the  equations  governing  elastic  deformation  can  be  solved  analytically:    

i. Expressing  the  stresses  in  terms  of  complex  potentials  ii. Specifying  the  boundary  conditions  iii. Finding  functions  to  satisfy  the  above  

 Or,  more  generally,  solving  the  problem  using  finite  element  analysis.    One  problem  for  which  there  is  a  solution  is  that  of  a  circular  hole  in  an  infinite  thin  plate  subject  to  a  stress  σo.    

 In  polar  co-­‐ordinates  the  stresses  are  given  by:    

σrr =σo

21 +

ro2

r2+ 1 + 3ro

4

r4− 4 ro

2

r2

$

% & &

'

( ) ) cos2θ

+ , -

. -

/ 0 -

1 -

   

σθθ =σo

21 +

ro2

r2− 1 + 3ro

4

r4

%

& ' '

(

) * * cos2θ

+ , -

. -

/ 0 -

1 -

   

σ rθ = −σ o

21−3

ro4

r 4+ 2ro2

r 2"

#$$

%

&''sin2θ

()*

+*

,-*

.*    

   Substituting  r  =  ro  and  θ  =  90°  and  0°:  gives  the  maximum  and  minimum  hoop  stresses  σθθ,  at  the  edge  of  the  notch  as  3σo  and  -­‐σo.    Thus  the  presence  of  a  round  hole  in  the  plate  increases  the  tensile  stress  by  a  factor  of  three  in  one  direction  and  introduces  a  compressive  stress  at  the  top  of  the  hole  equal  to  the  distant  tensile  stress.    Because  all  the  stresses  are  elastic  and  therefore  small,  the  imposed  stress  fields,  and  the  solutions  for  those  stress  fields,  can  be  added:  this  is  known  as  the  PRINCIPLE  OF  SUPERPOSITION.    Hence,  in  biaxial  stress  the  two  stresses  σo  at  right  angles  are  added  to  each  other  to  produce  a  2D  hydrostatic  tension  and  the  stresses  around  the  hole  in  the  plate  are  constant:    

     3σo-­‐  σo  =  2σo.            

Page 9: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

8  

 Another  important  situation  for  which  an  exact  solution  exists  is  that  of  an  elliptical  hole,  semi-­‐axes  a  and  b,  in  a  plate,  subject  to  a  distant  stress  σo.    In  this  case  the  maximum  stress  is  at  the  tip  of  the  ellipse:    

2a

2b 2ρ

σo

   

σmax = σo 1+2ab

#

$ %

&

' (    or  

σmax = σo 1+ 2aρ

$

% & &

'

( ) )              

 

where  ab2

=ρ  the  radius  tangential  at  the  tip.  

 

Hence  for  a  long  thin  crack  where  a  >>b,    

σmax = σo 2aρ

$

% & &

'

( ) )      

 This  is  slightly  modified  for  a  half  crack  at  the  edge  of  a  plate  by  the  factor  1.12  because  the  free  surface  (zero  stress)  allows  the  ellipse  to  open  rather  wider  than  for  the  embedded  crack.    The  factor  σmax/σo  by  which  the  elastic  stress  is  raised  by  a  feature  such  as  a  crack  or  a  hole  is  the  stress  concentration  factor  kt.    This  is  dimensionless.      

Page 10: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

9  

SHARP  CRACKS    The  above  is  very  useful  for  finding  the  effect  of  features  (intended  or  unintended)  in  the  structure,  but  most  cracks  are  long  and  have  sharp  tips.    These  can  be  of  atomic  dimensions  in  brittle  materials.    In  1939  Westergaard  solved  the  stress  field  for  an  infinitely  sharp  crack  in  an  infinite  plate.    The  elastic  stresses  were  given  by  the  equations;      

 

σ xx =σ o πa

2πrcos θ

2

!"#

$%&1− sin θ

2

!"#

$%&sin 3θ

2

!"#

$%&

(

)*

+

,-

   

σ yy =σ o πa

2πrcos θ

2

!"#

$%&1+ sin θ

2

!"#

$%&sin 3θ

2

!"#

$%&

'

()

*

+,

 

τ xy =σ o πa

2πrsin θ

2

!"#

$%&cos θ

2

!"#

$%&cos 3θ

2

!"#

$%&  

       +  similar  expressions  for  displacements  u          [Equations  for  the  polar  stresses  as  a  function  of  r  and  θ  are  in  the  data-­‐book.]    All  the  equations  separate  into  a  geometrical  factor  and  the  stress  intensity  factor:      

K = σo πa    K    determines  the  amplitude  of  the  additional  stress  due  to  the  crack  over  the  whole  specimen,  but  particularly  at  the  crack  tip  where  growth  has  to  occur.        When  θ  =  0º  the  stress  opening  the  crack  has  the  value  :    

σ yy =σ o πa

2πr=

K

2πr  

 The  value  of  K  at  which  fracture  occurs  is  the  material-­‐dependant        

Fracture  Toughness:  KIc =σ f πa  

 For  a  fixed  stress  this  defines  the  maximum  stable  crack  length  or  for  a  fixed  crack  length  the  maximum  stress.    

r

Page 11: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

10  

You  have  come  across  K  in  1A  and  1B:    Be  careful,  there  are  a  number  of  parameters  K:    

kt =σmax

σ o

  stress  concentration  factor  (dimensionless)  

K =σ o πa   stress  intensity  factor  Pa  m½    

 

KIc =σ f πa   critical  stress  intensity  factor  Pa  m½  or  Fracture  Toughness    

   The  equations  indicate  an  infinite  stress  at  the  crack  tip  when  r  =  0.    This  is  not  a  problem  as  the  stored  elastic  energy  forms  a  finite  interval.    A  small  volume  at  the  crack  tip  will  be  above  the  yield  stress  and  thus  in  a  plastic  state.        The  form  for  the  stress  intensity  is  for  a  crack  in  an  infinite  plate,  but  more  generally  the  dimensionless  constant  Y  is  added  to  account  for  the  geometry  of  loading  in  a  wide  range  of  more  realistic  crack  geometries:    

K =Yσ o πa    

 

K =1.12σ o πa     Edge  crack  of  length  a,  normal  to  σapp  in  a  semi–infinite  body:    

K =2πσ o πa     Circular  internal  crack,  radius  a  in  an  infinite  body  lying  normal  to  σapp  

K =1.12 2πσ o πa     Semi-­‐circular  surface  crack,  radius  a  in  a  semi-­‐infinite  body,  normal  to  σapp:  

   OTHER  MODES  OF  FAILURE  –  PRINCIPLE  OF  SUPERPOSITION    The  above  equations  considered  only  a  stress  normal  to  the  crack  surface  but  much  more  complex  states  of  stress  will  exist  at  cracks.    These  can  be  resolved  in  to  three  distinct  crack  opening  modes,  termed  with  extraordinary  imagination,  modes  I  II  and  III.  Combinations  of  these  can  describe  any  state  of  stress  and  the  stresses  are  additive  as  they  remain  elastic.    

For  example  the  mode  II  stress  equations  include  the  factorσ =KII πr .    

 Crack  opening  modes  I,  II  and  III.  

     

Page 12: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

11  

 WORKING  OUT  THE  ENERGY  –  RELATING  G  TO  K    The  stress  intensity  K  is  the  key  value  defining  the  stresses  around  the  crack  tip  arising  from  that  crack.    There  is  a  very  simple  relationship  between  K  and  the  energy  release  rate  G.  It  is  this  simplicity  that  makes  K  such  a  useful  value  to  know.        The  energy  release  rate  is  given  by  integrating  stress  ×  strain  over  the  volume  of  the  cracked  body,  and  has  the  value:    

G =K 2

EFor  plain  stress,    or  G =

K 2

E(1−υ2)        for  plane  strain.  

 To  show  how  this  works  we  take  the  example  of  a  simple  through-­‐thickness  centre  crack.  We  calculate  G  from  the  work  necessary  to  close  the  open  crack.    The  displacement,  u,  of  the  surface  of  the  crack  is  given  by  the  equation:  

u =2σ o

Ea2 − x2( )

1/2  

 Hence  the  elastic  energy  is  the  negative  of  the  work  done:        

UE = −2σ ou2

"

#$

%

&'

0

a

∫ × 2dx  

UE = −4σ o

222E

a2 − x2( )0

a

∫1/2

dx      

UE = −4σ o

222E

a 1− sin2θ( )0

π /2∫

1/2 dxdθdθ  

UE = −4σ o

2

Ea cosθ( )0

π /2

∫ ×acosθdθ  

UE = −4σ o

2a2

E12

(cos20

π /2

∫ θ + sin2θ)dθ  

 

UE = −4σ o

2a2

2Eθ"# $%0

π /2= −

4σ o2a2π

2× 2E= −

σ o2a2πE

 

 Differentiating  the  elastic  energy  gives  the  energy  release  rate:    

G = −dUEdA

= −dUE2da

=2aσ o

2E=K 2

E  

       Hence,  the  values  of  K  for  each  opening  mode,  KI,  KII,  KIII,    can  each  be  assessed  separatly  by  adding  all  the  contributing  K  values  for  each  mode.    Thus  it  is  possible  to  assess  complex  shapes  and  loading  by  calculating  the  Ks  for  each  of  the  applied  loads.    

Page 13: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

12  

 But,  the  total  change  in  energy  in  the  body  as  a  whole  can  be  expressed  directly  in  terms  of  the  individual  stress  intensities  which  characterise  the  crack  tip  stress  and  displacement  fields.    The  total  energy  release  rate  is  given  by  the  expression:  

   

EG = KI2 + KII

2 + (1+υ )KIII2         For  plane  stress  or:  

 

EG = (1−υ2 )KI2 + (1−υ2 )KII

2 + (1+υ )KIII2   For  plane  strain.      

 i.e.  for  a  given  mode  add  the  K  values,  but  to  assess  the  total  energy  release  rate  add  the  G  values  for  each  modes  (sum  the  squares  of  K).  

 Note:  These  equations  do  not  include  the  background  stress  which  must  be  added.      

σys

σo

K dominated

Overall stress

r Plastic zone

     Diagram  showing  the  net  stress  resulting  from  the  remote  stress  and  the  stress  intensity  .    For  σo  <<  σys  the  plastic  zone  is  dominated  by  the  stress  concentration  effect  of  the  crack.  

   DIRECTION  OF  CRACK  GROWTH    Cracks  grow  at  the  minimum  stress  necessary.  If  there  is  an  easier  route  they  take  it.    So  for  instance,  if  fracture  along  a  grain  boundary  requires  less  energy  then  all  things  being  equal  the  crack  will  be  intergranular.  However,  the  energy  for  the  crack  growth  comes  from  the  elastic  energy  released  and  this  is  a  function  of  the  growth  direction  of  the  crack.  In  this  section  we  calculate  how  the  energy  release  rate  varies  with  direction.          

Page 14: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

13  

PREDICTING  DIRECTION  FOR  A  MODE  I  CRACK:    If  we  know  the  value  of  K  for  a  crack  under  specific  loading  conditions  then  we  can  calculate  G  as  a  function  of  the  direction  of  growth  and  by  differentiating  this  as  a  function  of  the  growth  direction  figure  out  the  path  the  crack  will  take.  This  calculation  also  gives  the  energy  penalty  a  crack  will  pay  for  taking  a  different  path  -­‐    a  grain  boundary  or  a  cleavage  plane  for  instance.  

   

     Take  a  simple  through  thickness  sharp  crack  of  length  2a.  Add  to  this  a  tiny  virtual  crack  at  an  arbitrary  angle  θ  to  the  plane  of  the  main  crack.    This  virtual  crack  is  too  small  to  affect  the  stress  state  at  the  tip,  but  Westergaard’s  equations  can  be  used  to  work  out  the  local  state  of  stress.      

!KI =σθθπa       !KII =σ rθ πa    and  G =

!KI( )2

E+

!KII( )2

E  

 Using  the  polar  versions  of  Westergaard’s  equations  to  give  the  local  stress  state  at  the  crack  tip  under  the  MODE  I  loading:      

MODE  I:  

σrr

σθθσrθ

$

%

& & &

'

(

) ) )

=KI

2πr( )1 2

cos(θ / 2)[1+ sin2(θ / 2)]cos3(θ / 2)

sin(θ / 2) cos2(θ / 2)

$

%

& & &

'

(

) ) )  

 

Page 15: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

14  

!KI =σ o πao2πr

cos3 θ2

"

#$%

&'

(

)

**

+

,

--πa    and   !KII =

σ o πao2πr

sin θ2

"

#$%

&'cos2

θ2

"

#$%

&'

(

)**

+

,--πa  

 

Hence:                              G =σ 2oπao2πr

cos3 θ2

!

"#$

%&

!

"##

$

%&&

2

+ sin θ2

!

"#$

%&cos2

θ2

!

"#$

%&

!

"##

$

%&&

2'

(

))

*

+

,,πaE

 

To  predict  the  angle  we  only  need  consider  the  θ-­‐dependent  terms  in  the  centre:    Plotting  these  gives  the  following  graph:      

!0.2%

0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1%

1.2%

!180% !90% 0% 90% 180%

KI% KII% G%  

 

         

Page 16: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

15  

ANGLED  CRACKS  –  USE  OF  THE  SUPERPOSITION  PRINCIPLE    As  an  example  of  how  this  applies  we  can  look  at  mixed  mode  loading  on  an  angled  crack:    (the  proof  of  this  is  not  examinable)    A  crack  lies  at  φ  =  45º  to  the  principal  stress  so  in  an  effectively  infinite  thin  sheet  (i.e.  in  plane  stress).    We  want  to  find  the  angle  θ  at  which  the  crack  will  propagate  under  a  sufficiently  high  stress  σo.    

   [Note  that  the  stress  equations  as  a  function  of  θ,  are  relative  to  the  frame  of  reference  of  the  main  crack  are  being  used  to  calculate  the  local  stresses  at  a  tiny  crack  taking  off  at  an  angle  θ  from  the  end  of  the  main  crack.    The  stress  intensity  K  for  a  crack  continuing  in  the  same  direction  is  not  a  function  of  the  angle  θ.]      RESOLVE  THE  LOADING  STRESSES  The  stress  on  a  crack  inclined  at  45º  can  be  resolved  into  a  component  acting  perpendicular  to  the  crack,  i.e.  in  Mode  I,  and  a  component  acting  parallel  to  the  crack  plane,  i.e.  in  Mode  II.        CALCULATE  THE  STRESS  INTENSITIES  ON  THE  TIP  The  stress  fields  from  each  are  considered  separately  to  calculate  KI  and  KII  and  these  are  squared  and  added  to  give  the  overall  energy  release  rate  for  the  new  crack.    COMBINE  THE  STRESS  INTENSITIES  TO  GIVE  THE  ENERGY  RELEASE  RATE:  The  path  the  crack  takes  in  propagating  further  will  be  that  which  maximizes  the  total  energy  released.    We  can  find  this  by  differentiating  the  energy  release  rate  with  respect  to  the  angle  θ.      

Page 17: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

16  

 This  time  we  need  both  Mode  I  and  Mode  II  stresses  in  polar  co-­‐ordinates.        

Mode  I:  

σrr

σθθσrθ

$

%

& & &

'

(

) ) )

=KI

2πr( )1 2

cos(θ / 2)[1+ sin2(θ / 2)]cos3(θ / 2)

sin(θ / 2) cos2(θ / 2)

$

%

& & &

'

(

) ) )  

   

Mode  II:  

σrr

σθθσrθ

$

%

& & &

'

(

) ) )

=KII

2πr( )1 2

sin(θ / 2)[1−3sin2(θ / 2)]−3sin(θ / 2) cos2(θ / 2)

cos(θ / 2)[1−3sin2(θ / 2)]

$

%

& & &

'

(

) ) )  

     The  axes  for  the  above  equations  are  located  in  line  with  the  existing  crack.  We  have  two  independent  stress  fields  from  the  mode  I  and  II  stresses  on  this  crack.  We  use  these  stresses  to  work  out  what  the  energy  release  rate  for  a  small  (virtual)  crack  taking  off  at  an  angle  θ  from  the  end  of  the  main  crack.    For  the  crack  continuing  in  the  same  direction  θ  would  be  zero  etc,  see  diagram  above.        We  extract  the  stresses  which  will  cause  mode  I  opening  of  the  virtual  crack;  these  are  the  sθθ  values  from  each  of  the  stress  fields.    

From  perpendicular  stress:       σθθ=σ o

2

πao2πr

cos3 θ2            

where  the  factor  1/√2  =  cos  φ        

From  parallel  stress:   σθθ=σ o

2

πao2πr

−3sinθ2cos2 θ

2

"

#$

%

&'  

   

σθθ=σ o

2

πao2πr

cos2 θ2cosθ

2−3sinθ

2

"

#$

%

&'  

Similarly  the  stress  to  cause  mode  II  opening  comes  from  the  σrθ  components:      

σ rθ =σ o

2

πao2πr

sinθ2cos2 θ

2+ cosθ

21−3sin2 θ

2

"

#$

%

&'

"

#$

%

&'  

Page 18: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

17  

These  stresses  give  the  Kʹ′  values:       !KI θ( ) =σθθπa  and     !KII θ( ) =σ rθ πa  

 The  K  relates  to  the  very  small  new  crack  growing  at  the  end  of  the  main  crack.    We  now  have  to  find  the  value  of  θ  for  which  the  energy  release  rate  will  be  a  maximum,  and  do  this  by  adding  the  G  values  for  each  of  the  two  modes  of  opening:  

 

G(θ) =KI2

E+KII2

E=σ

θθ2 πa+σ rθ

2 πa      

We  are  concerned  with  the  angle  θ  and  can  plot  the  contributions  for  Mode  I  and  Mode  II  opening  combined,  normalised  by  the  values  at    θ  =  0.    

0"

0.5"

1"

1.5"

2"

2.5"

3"

3.5"

(200" (150" (100" (50" 0" 50" 100" 150" 200"

G"/C"""

Angle"from"crack"(clockwise"posi=ve)"

G/C"against"angle"of"propaga=on:"""

G"mode"I"

G"modeII"

G"

   

Plot  of  normalised  energy  release  rate  for  propagation  of  a  crack  angles  at  45º  to  the  principal  stress  

direction:  .  C =σ o2πa2E

!

"##

$

%&&  

 These  are  plotted  above,  and  it  can  be  seen  that  the  mode  I  crack  opening  mode  has  a  very  strong  maximum  at  ~-­‐55º  corresponding  to  a  minimum  in  the  Mode  II  crack.    Nevertheless,  the  sum  of  the  two,  denoted  by  the  bold  line,  is  dominated  by  the  energy  released  from  Mode  I  (as  is  nearly  always  the  case).    It  should  be  stressed  that  K  still  remains  s√πa:    the  inclusion  of  the  angular  function  in  calculating  K  is  a  result  of  using  the  stress  field  from  the  main  crack  to  generate  the  energy  release  rate  of  the  new  crack  going  off  at  an  angle  θ.      This  illustrates  how  the  principle  of  superposition  works  –  both  Mode  I  and  Mode  II  cracks  could  grow  given  sufficient  stress.    The  KIC  and  KIIC  values  for  a  particular  material  are  different  and  characteristic  of  that  material.    In  practice  nearly  all  cracks  grow  in  Mode  I  this  normally  generating  the  highest  energy  release  rate  as  is  seen  in  the  graphs.        

Page 19: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

18  

PLASTIC  ZONE  SIZE      The  equations  above  indicate  an  infinite  stress  at  the  crack  tip  when  r=0.    Thus  a  small  volume  at  the  crack  tip  will  be  above  the  yield  stress  and  thus  in  a  plastic  state.  This  has  two  effects:      

1.   The  deformation  occurring  in  the  plastic  zone  as  the  crack  grows  greatly  increases  R,  the  work  to  propagate  the  crack.        

2.   The  nominal  elastic  energy  stored  in  the  plastic  zone  is  not  released  as  the  crack  grows,  but,  provided  the  plastic  zone  remains  small,  this  is  a  small  proportion  of  the  integral  evaluating  the  energy  release  rate.    Hence,  for  small  plastic  zone  size  linear  elastic  fracture  mechanics  can  be  applied  to  ductile  failure.    

 How  big  does  the  plastic  zone  size  need  to  be  before  we  need  to  modify  the  energy  release  rate  equation?    This  occurs  when  the  elastic  energy  not  stored  in  the  plastic  zone  represents  a  sizeable  proportion  of  the  total  energy  release  rate  G.      Calculating  the  plastic  zone  size  is  not  easy,  and  we  rely  on  a  couple  of  approximations  (Dugdale  and  Irwin,  see  Ewalds  page  56)  to  estimate  the  effect.    They  give  similar  results  and  so  we  will  look  briefly  at  only  one  method,  that  due  to  Irwin.        The  simplest  estimate  is  made  by  assuming  that  the  area  ahead  of  the  crack  tip  where  the  stress  exceeds  the  yield  stress  is  plastic;  (see  previous  diagram).    Thus  ignoring  the  remote  stress,  the  size  of  the  plastic  zone  rp  is:    

σys =KI

2πry

      hence      

ry =1

2πKI

σ ys

$

% & &

'

( ) )

2

 

   This,  however,  takes  no  account  of  the  redistribution  of  the  stress  which  would  have  been  carried  by  the  material  at  the  crack  tip  which  has  yielded  and  can  only  carry  the  yield  stress.        We  can  estimate  the  error  by  assuming  a  plastic  zone,  width  2ry  ahead  of  the  crack  tip.    The  effect  of  the  plastic  flow  is  to  open  the  crack  more  widely  than  the  purely  elastic  response  would  predict,  thus  the  elastic  field  of  the  crack  behaves  as  if  it  were  Da  longer  than  it  really  is.    The  tip  of  the  “virtual  crack”  acts  as  the  nominal  centre  for  the  stress  and  strain  fields  resulting  from  the  crack  and    for  the    associated  plastic  zone.          

                 Diagram  showing  elastic  stress  redistribution  as  a  result  of  yielding  –  Irwin  model.  The  extent  of  the  extended  plastic  zone  is  defined  by  the  yield  stress.  

ry =1

2πKI

σ ys

$

% & &

'

( ) )

2

=σ 2

2σ ys2 a + Δa( )  

 

A  

Page 20: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

19  

Where  

KI = σ π a + Δa( )  and  the  new  plastic  zone  size  is:          

rp = Δa + ry  

   Irwin  determined  Da  on  the  basis  that  the  average  of  the  nominal  stress  in  the  plastic  zone  in  the  plane  perpendicular  to  the  stress  axis  should  equal  the  real  stress,  i.e.  the  yield  stress.  Then  the  load  is  being  supported  by  the  cracked  component  remains  the  same  with  and  without  the  plastic  zone.    In  effect  the  area  under  the  stress  graph,  A,  is  set  equal  to  sysDa.      

σysΔa =σ π a + Δa( )

2πrdr −σy ry

0

ry

∫   Þ  

σys Δa + ry( ) =σ π a + Δa( )

2πrdr

0

ry

∫  

 

σys Δa + ry( ) =2σ a + Δa

2ry       but    

σys 2ry = σ a + Δa( )  from  above    

 

     

σys Δa + ry( ) =2σys 2ry

2ry          Þ            

Δa = ry          and                

Δa =1

2πKI

σ ys

%

& ' '

(

) * *

2

 

and  

rp =1π

KI

σ ys

$

% & &

'

( ) )

2

= 2ry  

   Thus  the  virtual  crack  tip  determining  the  elastic  stress/strain  field  ends  at  the  centre  of  the  plastic  zone.    Dugdale’s  analysis  is  rather  more  sophisticated  but  also  assumes  that  the  crack  is  longer  than  it  really  is  and  superimposes  point  closure  forces  onto  each  end  of  the  crack  onto  the  overall  elastic  solution  for  the  enlarged  crack.    The  criterion  for  the  imposed  closure  stress  is  that  the  sum  of  the  closure  and  remote  stresses  cancel  at  the  crack  tip  removing  the  singularity.  (see  Anderson  page  77)      

 

 

Dugdale’s  analysis  gives  a  slightly  larger  plastic  zone  size:            

rp = 0.392KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

instead  of   rp = 0.318KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

from  Irwin.      

 It  is  not  worth  worrying  too  much  about  these  factors  as  both  analysis  are  predicated  on  perfect  plastic  behavior,  i.e  no  work  hardening.  In  fact  materials  will  work  harden  to  different  extents  and  would  thus  be  able  to  sustain  higher  loads  in  the  plastic  zone  than  these  analyses  predict.    FE  analysis  provides  a  better  method  of  assessing  the  plastic  zone  size  for  each  material  from  its  particular  plasticity  characteristics.    

Page 21: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

20  

REAL  PLASTIC  ZONE  SIZES    We  can  use  this  to  estimate  the  error  introduced  by  the  plasticity  at  various      ratios  of  the  stress  to  the  yield  stress.       sys  MPa   KIC    MPam1/2   ASM  

Crit.  rpplane  stress  

rp  Plane  strain    

High  strength  Steel   1200   60        Structural  steel    

400   150        

Alumina    

5000   1          

Perspex    

30   1        

 For  most  components  the  size  of  the  plastic  zone  is  fairly  small  but  concerns  must  be  raised  for  the  validity  of  LEFM  in  the  case  of  structural  steels.    In  practice  the    ASM  standard  requires  that  the  crack  length  a,  the  specimen  thickness  B,  and  the  residual  specimen  width  of  a  test-­‐piece  are  all  greater  

than  2.5KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

.        

     This  means  that,  in  effect,    rp  <  a/8  for  LEFM  to  apply.    The  plastic  zone  should  be  less  than  20%  of  the  area  dominated  by  the  crack  tip  stresses  (rather  than  the  remote  stresses)  which  is  about  10%  of  the  crack  length.          Alternatively  we  can  look  at  the  effect  of  the  plastic  zone  on  the  fracture  stress    

σ f =EGcrit

π a+ ry( )!

"

##

$

%

&&or  σ f =

EGcrit

π a+σ f2a / 2σ ys

2( )!

"

##

$

%

&&  

     

The  plastic  zone  has  the  effect  of  dividing  by  the  factor     1+σ f2

2σ ys2

!

"##

$

%&&  

 

For  σ f

σ ys

= 0.4  the  error  is  4%;  for  0.6  the  error  is  8.5%  and  for  0.8  the  error  reaches  15%.      

     Hence  the  closer  the  fracture  stress  gets  to  the  yield  stress  the  more  ductile  the  failure  and  the  greater  the  influence  of  the  plastic  zone.    

Page 22: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

21  

REAL  SHAPE  OF  PLASTIC  ZONE      The  plastic  zone  is  not  going  to  be  circular  since  the  largest  shear  stresses  occur  at  45°  to  the  crack  (equations  page  10).    The  exact  shape  is  tricky  to  calculate  and  depends  on  the  yield  criterion  used.    Using  the  Von  Mises  criterion  for  yield  :    

σ ys =12

σ1 −σ 2( )2+ σ1 −σ 3( )

2+ σ 2 −σ 3( )

2"#$

%&'

12  

   and  substituting  the  Mode  I  principal  stresses    in  polar  co-­‐ordinates:    

 

σ1 =KI2πr

cos θ2

!

"#$

%& 1+ sin

θ2

!

"#$

%&

'

()

*

+,  

 

σ 2 =KI2πr

cos θ2

!

"#$

%& 1− sin

θ2

!

"#$

%&

(

)*

+

,-  

   

σ 3 = 0        for  plane  stress,    and   σ 3 =2νKI2πr

cos θ2

!

"#$

%& for  plane  strain  

   we  are  able  to  solve  for  rp  and  obtain  the  limits  of  the  plastic  zone:    

rp θ( ) = 14π

KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

1+ cosθ + 32sin2θ

'

()

*

+,     For  plane  stress  

 

rp θ( ) = 14π

KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

1− 2ν( )21+ cosθ( )+ 32 sin

2θ(

)*

+

,-   For  plane  strain  

   plotting  this  gives  the  shapes  for  the  plastic  zone.  Note  the  value  for  plane  strain  will  be  smaller  by  some  (1-­‐2ν)2    which  is  0.16  for  ν  =  0.3.    Thus  the  plastic  zone  is  of  a  slightly  different  shape  and  smaller  in  size  for  the  constrained  central  part  of  the  crack.  

   

   

Diagram  of  the  plastic  zone  and  the  effect  of  through  thickness  crack.      

Plane  stress  at  outside  edge    Plane  strain  in  centre  

Page 23: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

22  

 Plastic  Zone  shape  for  Mode  I,  II  and  III  crack  opening,  calculated  from  von  Mises    yield  criterion.    

   Similarly  the  plastic  zone  size  and  shape  can  be  derived  for  the  other  crack  opening  modes  and  these  are  shown  in  the  above  Figure.    In  general  the  most  likely  cause  of  crack  growth  is  mode  I  opening,  and  consideration  of  this  is  able  to  solve  most  problems.      Again  it  must  be  emphasized  that  the  exact  solution  depends  on  the  plasticity  of  the  material  and  that  there  is  a  gradual  transition  from  plane  stress  to  plane  strain.  A  high  work-­‐hardening  rate  reduces  the  plastic  zone  size  as  more  stress  can  be  sustained  by  the  plastic  material.    When  the  plastic  zone  size  becomes  comparable  with  the  thickness  of  the  specimen,  plain  strain  is  not  achieved  at  the  centre  of  the  crack.  However,  provided  the  plastic  zone  size  is  small  compared  to  the  thickness  the  stress  intensity  factor  KIc  provides  a  reasonable  fracture  criterion.          As  the  thickness  decreases  the  measured  KIc  increases  from  a  plane  strain  plateau  value  to  a  higher  value  characteristic  of  plane  stress.  Thus  to  define  KIc  a  small  plastic  zone  size  and  plane  strain  conditions  are  required.    But  use  can  be  made  of  LEFM  in  situations  of  plane  stress  i.e.  thin  plates,  provided  the  values  of  KIc  that  are  used  are  found  in  material  of  similar  thickness,  In  these  circumstances  KIc    is  not  a  material  constant  as  it  varies  with  the  dimensions  of  the  specimen.    

Page 24: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

23  

KIc

Specimen Thickness

Plane strain Plane stress

   

The  effect  of  specimen  thickness  on  the  critical  stress  intensity.      The  constraint  at  the  centre  of  a  thick  sample  causes  the  crack  to  progress  the  furthest  at  the  centre  of  the  crack  and  the  sides  fail  by  plastic  shear  forming  two  lips  which  will  point  up  or  down  randomly  as  in  the  cup  and  cone  fracture.    The  centre  part  of  the  crack  will  be  normal  to  the  tensile  axis  on  average,  (this  masks  valleys  and  ridges  on  a  smaller  scale).    As  the  load  on  the  sample  increases  the  plastic  zone  size  increases  and  the  width  in  plane  strain  decreases.    Eventually  the  plane  stress  conditions  extend  across  the  sample  and  a  diagonal  shear  failure  results.        This  leads  to  the  kind  of  fracture  surface  seen  below  where  the  crack  starts  at  a  notch  propagating  by  ductile  cleavage  at  right  angles  to  the  stress  .    Two  ‘shear  lips’  develop:  in  this  case  one  sloping  up  and  the  other  down.    

     

Page 25: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

24  

R  AND  G  CURVES:      The  material  resistance  to  crack  extension,  R,  consists  of  the  energy  to  create  two  new  surfaces,  2gs  together  with  any  mechanism  which  absorbs  energy  as  the  crack  grows.    In  the  case  of  brittle  fracture  R  does  not  depend  on  the  size  of  the  crack,  but  where  plastic  work  is  done  developing  a  plastic  zone  R  may  well  vary  with  the  crack  size,  increasing  or  decreasing.    The  increase  could  result  from  an  increase  in  the  plastic  zone  size  as  we  saw  on  the  previous  page.    Initially  the  constraint  due  to  the  thickness  of  the  specimen  inhibits  plastic  flow,  restricts  the  size  of  the  plastic  zone  and  keeps  R  low.    As  a  plastic  zone  develops  at  the  sides  of  the  sample  R  increases  reducing  the  area  of  ‘ductile  cleavage’  until  the  entire  crack  fails  by  shear.  At  this  point  R  reaches  a  maximum  value.        

     

[Alternatively,  a  decrease  could  result  from  the  strain  rate  sensitivity  of  the  flow  stress  reducing  the  plastic  zone  size  as  the  crack  grows  faster.]        G  varies  with  the  size  of  the  crack  and  the  geometry  of  loading.    For  fixed  grips  the  load  drops  as  the  crack  extends  and  thus  the  energy  release  rate,  G,  will  drop.  But  for  the  same  specimen  at  fixed  load,  G  increases  as  the  crack  grows.    

G

a

LOAD CONTROL

STRAIN CONTROL FIXED GRIPS

   

Page 26: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

25  

MEASURING  G:    Consider  two  simple  situations,  a  fixed  strain  where  a  growing  crack  reduces  the  load  (strain  control)  and  a  fixed  load  where  the  crack  growth  increases  the  length  of  the  specimen  (load  control).    

G = −1BdUda

"

#$

%

&'u

for  strain  control  and  G = −1BdUda

"

#$

%

&'P

for  load  control.    

 *Note  U  =  potential  energy  and  u  =  displacement  and  P  =  load.    Consider  a  plate,  thickness  B,  loaded  with  a  force  P.    This  contains  a  crack  length  a  and  as  a  result  of  the  crack  the  plate  has  extended  a  distance  u.  The  crack  extends  by  da.  Under  load  control  the  specimen  lengthens  by  du,  and  the  work  done  by  the  external  force  is  dUF  =  -­‐  Pδu.    The  extra  work  stored  elastically  by  virtue  of  the  change  in  crack  length  and  the  consequent  change  in  specimen  length  dUE  =  1/2Pδu.    Thus  half  the  work  done  is  stored  in  the  regular  way  as  in  an  un-­‐cracked  body  and  the  rest  is  released  as  the  elastic  response  of  the  body  changes  as  a  result  of  the  crack  growth.  Under  strain  control  the  load  is  reduced  by  dP  and  the  energy  released:  dUF  =    -­‐1/2uδP  as  no  external  work  is  done  (dP  is  negative).    

LC:  dUE =12Pdu−Pdu = − 1

2Pdu     SC:   dUE =

12udP  

LC:   GBδa = + 12Pδu       SC:   GBδa = − 1

2uδP  

 We  now  introduce  the  Compliance:  the  inverse  stiffness  C  =  u/P.          

LC:   G = +P2B

duda!

"#

$

%&P

= +P2B

dudC!

"#

$

%&P

dCda

!

"#

$

%&p

=P2

2BdCda

!

"#

$

%&p

 

 

SC:     G = −u2B

dPda"

#$

%

&'u

= −u2B

dPdC"

#$

%

&'u

dCda

"

#$

%

&'u

=P2

2BdCda

"

#$

%

&'u

 

     The  expression  for  G  is  the  same  in  both  cases.      The  compliance  depends  on  the  specimen  shape,  in  particular  on  the  crack  geometry  and  length,  remember  the  sample  is  assumed  to  be  elastic  at  all  points.    By  measuring  the  compliance  as  a  function  of  the  crack  length  the  energy  release  rate  can  be  calculated  from  the  load  P.      

Page 27: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

26  

Let’s  look  at  this  graphically:  for  a  specimen  under  strain  control  (the  grips  are  fixed)  the  crack  growth  causes  a  fall  in  the  external  force  P  which  is  equal  to  the  energy  released  by  the  crack  in  growing   δa.    This  is  equal  to  the  area  of  the  shaded  triangle  OAC.    

 

a

P

P

u

Pdu

du

dUE = 1/2Pdu

a

a+da

Fixed Load A B

O

C

     For  Load  control,  the  specimen  extends  at  fixed  load  and  the  energy  released  is  the  area  of  the  triangle  OAB.    Thus  the  only  difference  between  the  two  cases  is  the  area  of  the  triangle  ABC  which  is  of  the  order  1/2δPδu  and  approaches  zero  in  the  limit.    Thus  the  value  of  G  depends  only  on  the  geometry  of  the  sample:  shape,  crack  length  etc,  and  the  loading,  P.      

--

-

Page 28: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

27  

MEASURING  R:      For  brittle  materials  R  does  not  change  as  the  crack  grows  and  failure  occurs  when  the  stress  rises  to  the  point  where  G  equals  R.      

   The  R  curve  can  be  measured  from  a  plot  of  load  P  against  extension  u,  using  the  gradient  of  the  

‘unloading  line’  at  any  point  to  give  the  compliance  as  the  crack  extends.  G =P2

2BdCda

!

"#

$

%&u

 

   

 For  a  rising  R  curve  G  must  exceed  R  at  any  crack  length,  but  as  the  crack  grows  R  can  exceed  G.    Hence,  for  fast  fracture,  G  must  increase  with  the  crack  length  faster  than  the  resistance  to  crack  growth.  Fast  fracture  will  occur  when    dG/da  >  dR/da.  If  dG/da  =  dR/da  the  crack  will  continue  growing  in  a  controlled  manner  (so-­‐called  stable  crack  growth).        

Page 29: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

28  

MEASURING  KIc    In  principle  k  can  be  measured  from  the  load  at  failure  and  the  crack  length  in  a  standard  sized  specimen  containing  a  sharp  crack  grown  usually  by  fatigue.      However,  for  the  test  to  be  valid  three  criteria  must  be  satisfied:    • the  specimen  must  be  large  enough  for  the  plastic  zone  size  to  be  a  small  proportion  of  the  

sample  and  we  have  the  criterion  for  the  dimensions  a,  B  and  W  discussed  earlier:        

o a,  B  and  W  ≥  2.5KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

 

• The  maximum  fatigue  stress  intensity  K  is  less  than  80%  of  KIc  

• the  crack  is  still  roughly  in  the  middle  of  the  sample,  0.45≤  a/W  ≤  0.55.  

 If  the  testpiece  were  entirely  elastic  and  the  load  displacement  curve  would  be  linear,  it  is  generally  not  as  the  tip  of  the  crack  begins  to  yield.    The  value  of  the  load,  PQ,  to  be  used  to  assess  KIC  is  taken  as  the  point  at  which  the  curve  crosses  a  line  drawn  with  a  gradient  95%  of  the  initial  tangeant.    Sometimes  there  is  a  small  amount  of  unstable  crack  growth  prior  to  failure  at  a  higher  load,  ‘pop-­‐in’  behaviour.    In  this  case  or  if  the  sample  fails  before  a  5%  deviation  from  linearity,  the  pop-­‐in  stress  or  the  ultimate  stress  prior  to  failure  are  used.      

     The  provisional  value  of  KIc,  KQ  can  then  be  calculated  from  the  equation:    

KQ =PQB W

f a /W( )      

 where  f(a/W)    is  a  dimensionless  function  of  the  specimen  dimensions  specific  to  the  testpiece  design.    These  are  all  set  out  in  the  ASTM  standard  E399.      

Page 30: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

29  

As  an  example,  for  the  most  common  ‘compact  specimen’  testpiece  the  equation  is:    

f a /W( ) = 2+a /W

1−a /W( )3/20.866+ 4.64 a /W( )−13.32 a /W( )

2+14.72 a /W( )

3−5.6 a /W( )

4"#$

%&'

       

Page 31: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

30  

ELASTIC  PLASTIC  FRACTURE  MECHANICS    The  requirements  for  the  minimum  specimen  test-­‐piece  size  for  LEFM  to  be  valid  are  very  stringent  for  ductile  materials.    In  fact  the  size  of  test-­‐piece  needed  to  produce  a  valid  and  representative  value  of  KIc  are  such  that  large  amounts  of  material  and  huge  machines  are  required  for  testing.    More  importantly,  the  scale  could  well  exceed  the  size  of  the  component  the  results  are  to  be  applied  to.    Under  these  circumstances  we  still  need  a  measure  of  the  fracture  toughness  of  these  materials  in  order  to  predict  and  avoid  possible  failure.    Two  methods  have  been  developed  which  enable  small  scale  testing  to  be  applied  to  the  failure  of  ductile  materials.  These  are  the  Crack  Opening  Displacement  and  the  J  Integral  method.    CRACK  TIP  OPENING  DISPLACEMENT    Back  in  1961  Wells  had  been  trying  unsuccessfully  to  obtain  reliable  KIc  measurements  for  ductile  steels,  when  he  noticed  that  the  crack  tips  showed  considerable  blunting  which  increased  with  the  toughness  of  the  material.    He  proposed  measuring  the  critical  diameter  of  the  crack  tip  and  using  this  directly  as  a  measure  of  the  toughness.    We  will  see  that  for  limited  plastic  zone  size  the  crack  tip  opening  is  related  directly  and  simply  to  the  LEFM  energy  release  rate,  but  the  really  useful  extension  of  this  to  a  much  larger  plastic  zone  size  was  at  that  point  purely  empirical.    It  has  since  been  demonstrated  rigorously  that  the  use  of  the  CTOD  is  valid  even  for  very  extensive  plasticity  and  the  method  is  now  widely  used  to  test  and  design  components.    

         Additional  crack  opening  as  a  result  of  plasticity  at  crack  tip.  

 We  saw  earlier  that  the  effect  of  a  plastic  zone  at  the  crack  tip  is  to  extend  the  effective  length  of  the  crack  by  ry  ~  half  the  diameter  of  the  plastic  zone.    Hence  the  opening  of  the  crack  at  it’s  real  tip  can  be  approximated  from  the  calculated  elastic  displacements  of  the  virtual  (extended)  crack  evaluated  at  a  point  some  ry  from  the  virtual  crack  tip.    See  Figure  above.        

Page 32: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

31  

The  CTOD  δ    is  given  by  double  the  displacement  uyy  in  the  tensile  direction,  for  plane  stress  this  is  given  by  the  equation:    

uyy =KI2µ

r2πsin θ

2

!

"#$

%& κ +1− 2cos2

θ2

!

"#$

%&

(

)*

+

,-where  κ =

3−ν1+ν

for  plane  stress  

 evaluating  this  at  ry  from  the  crack  tip    θ  =  180°:      

uyy =KI κ +1( )2µ

ry2π

 

 and  substituting  for  the  plastic  zone  size  from  the  Irwin  value  (second  estimate,  page  18):    

ry =12π

KIσ ys

!

"##

$

%&&

2

gives:     uyy =κ +1( )2µ

KI2

2πσ ys

   

 

where    κ +1( )2µ

=41+ν( )

×1+ν( )E

=4E

 

 

and  hence  δ = 2uyy =4EKI2

πσ ys

=4πGσ ys

where  G  is  the  energy  release  rate.  

 Again  the  Dugdale  model  gives  a  similar  result:    

δ =Gmσ ys

   

where  m  is  a  constant  1  for  plane  stress  and  2  for  plane  strain.    Remember  that  this  is  all  derived  from  the  elastic  solution  surrounding  a  small  plastic  zone  (page  10)  but  it  has  since  been  demonstrated  from  plasticity  theory  that  this  is  generally  true  even  if  the  plastic  zone  is  extensive.  The  critical  value  of  the  CTOD  thus  gives  a  reliable  measure  of  the  fracture  toughness  of  the  material.    Clearly  this  will  be  a  function  of  the  specimen  thickness  but  provided  the  thickness  of  the  test-­‐piece  is  similar  to  the  component  the  test  result  can  be  used.        

Page 33: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

32  

MEASURING  CTOD    This  is  very  difficult  to  measure  directly  and  is  usually  inferred  from  the  width  of  the  crack  opening  V  of  a  three  point  bending  specimen.    It  is  assumed  that  the  specimen  behaves  as  a  rigid  hinge  pivoting  about  some  point  in  the  uncracked  ligament  of  the  specimen  the  displacement  δ  is  then  proportional  to  V:    

δ

ρ W −a( )=

Vρ W −a( )+a

   

 where    ρ  is  a  dimensionless  constant  between  0  and  1.    

δ

W

V

a

r(W-a)

P  

CTOD  measured  from  a  three  point  bend  specimen.      Painstaking  experiments  measuring  the  value  of  V  and  then  δ  by  sectioning  the  crack  established  this  relationship.  But  beware  -­‐    it  depends  on  the  specimen  thickness  and  the  width  of  the  slot  and  the  length  of  the  crack.          There  are  four  values  of  δ  recognised  by  the  ASTM  standards:      

• δi  the  CTOD  at  the  onset  of  stable  ductile  crack  growth.    • δc  the  CTOD  at  the  onset  of  unstable  cleavage  failure,    • δu  the  CTOD  at  the  onset  of  unstable  crack  growth  following  extensive  ductile  stable  crack    

growth  • δ  m  the  CTOD  at  maximum  load  where  the  specimen  does  not  break.  

   The  first  is  hard  to  detect;  the  only  clue  in  the  load  curve  being  a  slight  change  in  gradient.    The  next  two  are  identified  by  the  failure  of  the  sample  and  the  last  by  a  maximum  in  the  load  curve  without  the  failure  of  the  sample.    

ρ (W-a)

Page 34: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

33  

V

LOAD P

Vc Vi

Vm

Vi

Vu

cleavage stable crack growth + cleavage

stable crack growth + plastic collapse

 Mouth  Opening  Displacement  v  Load  curves.  

   J  INTEGRALS    The  J  integral  is  the  equivalent  of  the  G  for  the  elastic-­‐plastic  case.    It  is  the  rate  of  energy  absorbed  per  unit  area  as  the  crack  grows;  it  is  not  however  the  energy  release  rate  because  the  plastic  energy  is  not  recoverable  as  it  would  be  in  the  elastic  case.  The  definition  is:  

          J = −dUdA

 

 where  U  is  the  potential  energy  of  the  system  and  A  the  area  of  the  crack.        

PP

a

a + dadU

Displacement Δ

dPdΔ

Load

   

Energy  release  rate  for  non-­‐linear  deformation.      

An  analogy  with  the  Linear  elastic  case  can  be  made;  compare  the  Figure  above  with  those  on  page  25.    The  stress  strain  curve  is  no  longer  linear,  but  the  area  under  the  curve  represents  the  work  done  in  extending  the  cracked  body  (without  extending  the  crack).        

Page 35: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

34  

Plotting  two  curves  for  specimens  differing  only  in  the  length  of  the  crack,  a  and  a+Δa,  the  energy  required  to  grow  the  crack  is  the  difference  in  the  areas  under  the  two  graphs  shaded  in  the  Figures  on  page  25.  Since  the  area  decreases  as  the  crack  grows  dU/da  is  negative  and  J  =-­‐dU/da  at  unit  thickness.    Although  this  is  the  same  as  the  definition  of  the  energy  release  rate  we  used  earlier,  the  J  integral  for  the  plastic  case  does  not  represent  the  energy  released  as  the  crack  grows  because  much  of  the  energy  used  performs  plastic  deformation.    This  is  fine  so  long  as  you  are  just  loading  the  specimen  but  becomes  tricky  if  you  try  and  reverse  the  stress.          The  term  ‘J  integral’  comes  from  the  property  of  J  which  can  be  expressed  and  evaluated  as  a  closed  line  integral  around  the  crack  tip.      J  is  the  strain  energy  density  within  the  line  minus  the  surface  integral  of  the  normal  traction  stress  forces  normal  to  the  surface  defined  and  is  independent  of  the  path  the  integral  takes.        

y

x

 Diagram  showing  the  line  integral  around  the  crack  tip  –  J  integral.  

   It  can  be  evaluated  experimentally  by  measuring  the  stress  strain  curves  for  a  number  of  identical  specimens  containing  cracks  of  different  lengths  and  plotting  the  area  under  the  graph  U  for  each  specimen  as  a  function  of  the  crack  length  and  thus  evaluating  dU/dA  and  hence  J.    There  are  also  specific  specimen  geometries  (deeply  double  notched  and  notched  three  point  bending  specimens)    that  allow  J  to  be  measured  from  a  single  specimen.          These  experiments  allow  J  to  be  plotted  as  a  function  of  the  crack  extension.    Thus  although  J  is  defined  in  similar  terms  to  the  energy  release  rate  G,  and  indeed  reduces  to  G  for  linear  elastic  behavior,    J  for  elastic-­‐plastic  materials  is  closer  to  R,  the  resistance  to  crack  growth,  in  both  interpretation  and  form.    The  curve  plotted  against  the  crack  growth  from  the  original  crack  length  Δa,  shows  three  distinct  regions;  an  initial  zone  where  the  original  crack  blunts  but  does  not  grow  and  the  curve  rises  steeply,  a  secondary  region  initiating  at  JIc,  where  a  new  crack  nucleates  and  grows  developing  the  elastic-­‐plastic  zone  at  the  crack  tip,    until  finally  steady  state  crack  tip  conditions  are  achieved  and  the  crack    propagates  at  a  constant  value  of  the  J  resistance  JR.    

Page 36: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

35  

JR

Crack blunting

Fracture Initiation

Steady state crack growth Δa

A

C

B

A B C

   

Diagram  indicating  the  J  curve  during  crack  growth.    The  validity  of  this  approach  has  limits,  just  as  the  LEFM  has.  These  are  reached,  in  general  terms,  when  the  extent  of  plastic  yielding  becomes  a  large  proportion  of  the  remaining  ligament  length.    At  this  point  a  single  parameter  for  crack  growth  is  not  sufficient  and  even  more  complicated  analysis  is  necessary.      

Page 37: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

36  

FRACTURE  MORPHOLOGY    DUCTILE  FAILURE:        Ductile  failure  in  uni-­‐axial  specimen  is  characterised  macroscopically  by  cup  and  cone  failure,  and  on  a  microscopic  scale  by  the  formation  and  coalescence  of  voids  generally  nucleated  at  second  phase  particles.    This  occurs  after  the  point  of  plastic  instability  has  been  reached  when  the  rate  of  work  hardening  can  no  longer  compensate  for  the  increase  in  the  stress  as  the  section  decreases.  Voids  nucleate  and  grow  most  rapidly  in  the  centre  of  the  sample  where  the  state  of  triaxial  stress  exists.    These  grow  and  coalesce  to  produce  a  circular  internal  crack  which  grows,  and  finally  fails  by  shear  in  the  plane  stress  outer  regions  of  the  sample.  Where  void  formation  is  difficult,  (for  example  in  pure  metals)  much  more  ductility  is  observed  and  the  sample  can  thin  almost  to  a  point  before  failure  occurs.    

 Diagram  showing  cup  and  cone  failure  in  tensile  specimen    

Voids  almost  always  nucleate  at  second-­‐phase  particles  either  by  decohesion  at  the  interface  or  by  fracture  of  the  second  phase  or  inclusion.    A  number  of  models  have  been  developed  which  look  at  the  effect  of  dislocation  pile-­‐ups  at  second-­‐phase  precipitates  formed  during  plastic  flow  as  the  trigger  to  void  nucleation  but  fail  to  predict  the  observation  that  voids  appear  to  nucleate  most  readily  at  larger  particles.    This  is  not  entirely  surprising  because  the  largest  precipitates  are  likely  to  be  those  with  the  highest  interface  energy  and  thus  the  largest  incentive  to  reduce  surface  to  volume  ratio,  and,  in  addition,  are  also  those  most  likely  to  crack  under  extensive  plastic  flow  in  the  surrounding  matrix.    This  latter  process  is  the  most  likely  to  occur  where  large  precipitates  are  present  and  can  be  readily  observed.        The  45º  sides  of  the  cone  fail  last  as  the  central  crack  propagates  outwards.  In  the  absence  of  general  yielding  across  the  full  remaining  section  of  the  sample  the  progress  of  a  crack  by  ductile  means  relies  upon  the  nucleation  and  growth  of  voids  ahead  of  the  crack  tip.    The  stress  ahead  of  the  crack  tip  is  raised  to  about  4  times  the  stress  at  approximately  two  times  the  ‘crack  tip  opening  displacement’  or  CTOD  from  the  tip.    Voids  form  in  this  area  of  raised  stress  ahead  of  the  crack  tip.      

Page 38: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

37  

   Once  formed,  the  voids  grow,  becoming  elliptical  and  undergoing  extensive  plastic  flow  at  the  sides.    The  ligaments  between  the  voids  fail  by  shear  on  the  plane  of  highest  shear  stress  at  45°  to  the  tensile  axis.    CLEAVAGE  FRACTURE  IN  DUCTILE  MATERIALS.    The  cleavage  fracture  surface  is  characterised  by  a  planar  inter-­‐granular  crack  which  changes  plane  by  the  formation  of  discrete  steps.  Facets  correspond  to  the  individual  grains  and  in  single  crystals  an  entire  slip  plane  can  consist  of  one  facet.      

 

   

Facetted  brittle  failure  showing  river  lines.      The  steps  or  river  lines  on  the  facets  converge  and  eventually  disappear  in  the  direction  of  crack  growth.    They  are  formed  at  a  grain  boundary  where  the  cleavage  plane  in  one  grain  is  not  parallel  to  the  plane  in  the  adjacent  grain;  the  difference  being  accommodated  by  a  series  of  steps.    These  gradually  diminish  as  the  crack  propagates  adopting  the  cleavage  plane  of  the  new  grain  before  being  re-­‐formed  at  the  next  grain  boundary.        If  a  cleavage  crack  is  to  propagate  across  a  grain  boundary  distinct  new  cracks  must  be  nucleated  ahead  of  the  interface  before  sufficient  plasticity  in  the  material  is  achieved  to  relieve  those  stresses.    

Page 39: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

38  

Polycrystalline  Ni-­‐Based  superalloy  RR1000,  Fatigue  failure  at  Room  temperature  showing  transgranular  cleavage                      Ductile  failure  at  high  temperature  in  IN  738  showing  gross  tearing.                            AlMg  Si  alloy  failed  by  microvoid  coalescence          

Page 40: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

39  

Conditions  favoring  brittle  fracture  are:    

• high  yield  stress,    

• reduced  slip  systems  (HCP  and  BCC  metals,  low  temperature),    

• high  constraint  (plane  strain)  and  rapid  deformation.      

 However,  for  metals,  in  particular  for  iron  ,  it  has  been  shown  that  the  fracture  stress  follows  the  value  of  yield  stress  measured  in  compression  (even  though  in  tension  the  material  demonstrates  brittle  failure).  For  small  grains  sizes  yielding  precedes  failure,  at  larger  grains  sizes  the  two  occur  together.    At  the  tip,  the  crack  becomes  blunted  through  plasticity  and  thus  the  potentially  very  high  stresses  are  reduced  (see  next  section).      As  a  result  the  stresses  achieved  ahead  of  the  crack  tip  do  not  in  effect  exceed  3-­‐4  times  the  yield  stress.  This  is  way  below  the  theoretical  strength  of  most  materials:  

           π

≈σE

c  

Hence  the  crack  cannot  simply  propagate  as  it  would  in  a  brittle  ceramic.    (e.g.  the  wedging  discussed  on  page  5.    There  must  be  a  crack  or  defect  ahead  of  the  crack  to  further  raise  the  stress  and  propagate  the  crack  if  cleavage  is  to  occur.  Under  conditions  of  plane  strain  i.e.  constraint,  the  critical  length  for  a  crack  from  the  Griffith’s  criterion  is:    

      acrit =2Eγs

π 1−ν 2( )σ f2= 0.3µm    

 where,  for  example  in  iron,    σf  =  1GNm

-­‐2  and  E  =  200GNm-­‐2,  and  γs  =  2Jm-­‐2.  

 Hence  some  plasticity  at  the  crack  tip  is  necessary  to  form  cracks  of  roughly  this  size  in  order  to  propagate  the  crack  further.    A  number  of  mechanisms  by  which  micro-­‐cracks  can  form  have  been  proposed  and  are  illustrated  on  the  next  page.      The  micro-­‐crack  is  limited  to  a  single  grain  due  to  the  difficulty  in  propagating  across  the  boundary.  Hence  the  stress  intensity  ahead  of  a  micro-­‐crack  is  limited  by  the  √(grain  size),  this  limits  the  stress  to  nucleate  further  cracks  and  propagate  the  failure.    This  results  in  a  Hall-­‐Petch  type  relationship  between  the  failure  stress  and  the  grain  size:    

σ f ≈πEγgb1−ν 2#$

%&d

'

(

))

*

+

,,

12

 

where  γgb  is  the  plastic  work  to  propagate  across  the  grain  boundary  and  generally  exceeds  the  usual  γp  term.    There  are  other  mechanisms  by  which  grain  refinement  to  affect  the  fracture  stress;  in  mild  steels  the  cleavage  fracture  is  controlled  by  the  fracture  of  grain  boundary  carbides,  and  an  increase  in  the  overall  grain  boundary  area  with  smaller  grain  size  leads  to  smaller  carbides  and  thus  a  higher  fracture  stress.  Grain  size  is  hence  the  one  of  the  best  strengthening  mechanisms  as  it  increases  both  strength  and  ductility.        

Page 41: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

40  

   

Page 42: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

41  

BRITTLE  DUCTILE  TRANSITION.    Macroscale:  The  brittle  ductile  transition  represents  the  change  from  general  plastic  yielding  to  the  propagation  of  a  distinct  crack  –  this  so-­‐called  brittle  failure  can  be  very  ductile  and  the  fracture  surface  show  evidence  of  extensive  plasticity.    The  brittle  ductile  transition  is  governed  by  the  macroscopic  yield  in  the  specimen,  not  what  is  going  on  at  the  crack  tip.    Hence  values  depend,  within  limits,  on  the  particular  geometry  of  the  specimens.    Tests  such  as  the  impact  test  of  which  there  are  several  standards  (Charpy,  Izod  etc)  provide  relative  rather  than  quantitative  data.    They  are  nevertheless  extremely  useful  as  they  are  quick  and  simple  to  perform  can  be  compared  with  reference  data  to  provide  excellent  quality  control.        If  the  energy  absorbed  by  rapid  failure  is  plotted  against  the  temperature  for  steels  a  transition  is  observed  from  a  high  to  a  low  value  over  a  limited  temperature  range.  

Temperature

Ene

rgy

abso

rbed

% Cleavage failure

Energy absorbed

FATT NDT

 Two  of  the  transition  temperature  defined  are:  the  nil  ductility  temperature  where  the  curve  just  begins  to  rise,  and  the  fracture-­‐surface  appearance  transition  temperature,  FATT,  based  on  50%  of  the  surface  being  cleavage  failure.  The  former  corresponds  to  the  point  at  which  general  yield  occurs  throughout  the  remaining  width  of  the  sample.    Factors  promoting  cleavage  failure  are:  

1 high  yield  stress  –  large  amount  of  stored  elastic  energy  

2 large  grain  size  –  large  build  up  of  stress  from  pile-­‐ups  

3 coarse  carbides  –  can  crack  

4 deep  notches  -­‐  constraint  

5 thick  specimens  (plane  strain).  

Page 43: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE      

42  

At  the  nano-­‐micro  scale:    Fracture  of  very  small  components  is  crucial  to  the  development  of  small  devices  and  it  is  here  that  much  interest  in  fracture  is  currently  focused.  Here  plasticity  is  also  crucial,  particularly  in  materials  with  limited  dislocation  mobility  (Si,  Ge,  Fe,  Cr,  Al2O3,  and  inter-­‐metallics)  –  essentially  everything  other  than  fcc  metals.  All  these  materials  display  very  brittle  behaviour  at  low  temperatures  and  a  transition  to  a  more  ductile  behaviour  as  temperature  rises.    Rice  introduced  the  concept  that  brittleness  was  determined  by  the  competition  at  the  crack  tip  between  the  generation  of  dislocations  in  the  very  high  stress  field  at  the  crack  tip  and  cleavage.    His  paper  of  1974  explains  the  issue  very  lucidly  (skip  the  mathematics  in  the  middle)  J.R.  Rice  and  R  Thomson,  Phil  Mag  29,  1,  p73,  (1974),  with  a  more  modern  interpretation  given  by  J.R.  Rice,  Journal  of  the  Mechanics  and  Physics  of  Solids,  V.40,  Iss.2  p.239-­‐271  (1992).      This  is  demonstrated  by  a  series  of  experiments  performed  by  Prof  Steve  Roberts  on  pure  iron  single  crystals.      (Acta.  Mat.  56  (2008)  5123)      

   

• 4Pt  bending  with  pre-­‐cracked  single  crystals  of  specific  orientation  (2  slip  planes  at  45º  to  the  crack  tip)  

• Strain  rate  varied  from  4  x  10-­‐3  to  4  x  10-­‐5  s-­‐1    

• KIc  calculated  from  failure  stress  and  geometrical  factors  

• DBT  indentified  from  examination  of  the  fracture  surface  and  evidence  of  slip  bands    

• Plotting  1/TDBT  against  strain  rate  shows  an  Arhenius  relationship    

• Activation  energy  correlates  very  well  with  that  for  dislocation  movement  

The  DBT  decreases  from  130K  at  the  lowest  strain  rate  to  154K  at  the  highest.    

The  observed  behaviour  can  be  modeled  very  accurately  by  ‘dislocation  dynamics’.    This  means  calculating  the  distribution  and  movement  of  dislocations  during  the  test  from  their  initial  positions,  the  complete  stress  field  and  an  exponential  equation  for  dislocation  velocity.  

Essentially  the  DBT  occurs  when  the  ‘shielding  effect’  of  the  dislocations  on  the  two  slip  planes  (i.e.  the  elastic  stress  fields  from  those  generated)  reduces  the  stress  at  the  crack  tip  sufficiently  rapidly  to  prevent  the  stress  at  the  tip  reaching  the  cleavage  stress.    

Page 44: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   43  

  FATIGUE    Fatigue  is  damage  (usually  failure)  caused  by  oscillating  stress  below  the  fracture  stress.    90%  of  all  mechanical  failures  can  be  attributed  to  fatigue.  Paradoxically,  although  the  stress  is  below  the  yield  stress,  fatigue  is  essentially  concerned  with  the  generation  of  defects  by  plastic  flow  and  the  movement  of  dislocations.    

Time

Stress

σmax

σm

σmin

0

Δσ

σm

σa

   

The  diagram  above  defines  some  of  the  variables  used  to  describe  a  fatigue  test  run  under  stress  control:  the  stress  range  Ds,  stress  amplitude  σa,  mean  stress  σm.  the  R  ratio  R  =  σmin/σmax  .    Similar  definitions  apply  to  tests  where  the  strain  on  the  sample  is  controlled  and  the  maximum  stress  may  vary  through  the  test.    Real  fatigue  situations  cover  a  baffling  range  of  variables;  examples  include  high  frequency  mechanical  fatigue  for  example  in  a  crankshaft,  to  low  frequency  pounding  of  a  north-­‐sea  oil  rig  structure  in  a  highly  corrosive  environment,  to  thermal  fatigue  caused  by  the  periodic  heating  and  cooling  in  the  turbine  of  a  transatlantic  jet  engine.    We  need  to  understand  fatigue  so  that  we  are  able  to:    

i) predict  the  engineering  life  of    these  components,    ii) design  structures  and  materials  which  maximise  economic  life.      

 Factors  affecting  fatigue  which  we  will  consider  in  varying  degrees  of  detail  are:    

• Mean  stress    σm  • Stress  amplitude  ∆σ  • Frequency    • Waveform  • Temperature  • Temperature  variation  • Environment  –  corrosion  and  oxidation  • Surface  finish  • Coatings  • Microstructure  

 

Page 45: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   44  

Test  procedures  have  been  developed  which  address  these  variables  and  by  the  use  of  a  number  of  mostly  empirical  laws  these  are  able  to  provide  some  degree  of  predictability  in  most  situations.    Fatigue  conditions  fall  into  a  number  of  regimes:    High  Cycle  Fatigue  HCF:  Low  amplitude  stresses  induce  primarily  elastic  strains  which  results  in  long  life,  i.e.  endurance  in  excess  of  10,000cycles    Low  Cycle  Fatigue  LCF:    Considerable  plastic  deformation  during  cyclic  loading  results  in  an  endurance  limit  below  10,000  cycles  and  behavior  dominated  by  plastic  deformation.    Thermo-­‐mechanical  Fatigue  TMF:    varying  both  stress  and  temperature  to  give  strain  cycles  in  phase,  out  of  phase  (and  all  things  in  between)  with  the  temperature  cycle.      

     APPROACHES  TO  FATIGUE    We  can  break  Fatigue  in  ductile  materials  into  several  stages:    

1. Initial  micro-­‐structural  changes  leading  to  the  nucleation  of  permanent  damage  

2. Nucleation  of  the  first  micro-­‐cracks  

3. Growth  and  coalescence  of  these  flaws  to  produce  a  dominant  crack.  

4. Stable  propagation  of  the  dominant  crack.  

5. Failure    

 Macroscopically  there  are  ambiguities  in  defining  the  initiation  and  growth  stages  of  cracks  –  depending  on  the  resolution  of  the  techniques  being  used  to  investigate.    Generally  stages  1-­‐3  constitute  crack  initiation  and  stages  4-­‐5  crack  growth.      Depending  on  the  conditions,  these  stages  occupy  widely  differing  fractions  of  the  sample  life  and  thus  require  different  strategies  to  determine  life.    The  method  adopted  also  depends  on  the  consequences  of  failure.  

Page 46: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   45  

TOTAL-­‐LIFE  OR  SAFE-­‐LIFE:      This  strategy  is  to  predict  the  total  life  and  retire  the  component  at  a  fixed  proportion  of  this,  to  include  a  considerable  margin  for  error.      The  aim  is  to  retire  the  component  before  a  crack  forms  and  it  is  used  where  fatigue  failure  would  result  in  component  failure.    Total-­‐life  can  be  wasteful  as  much  useful  life  remains  unused  where  the  scatter  in  the  data  is  large.      This  approach  focuses  on  predicting  the  number  of  cycles  to  failure,  N  for  an  initially  un-­‐cracked  specimen.    This  is  most  appropriate  where  the  initiation  of  the  dominant  crack  occupies  the  majority  of  the  total  life  (as  much  as  90%).  For  HCF  where  the  stress  range  is  low  and  the  stresses  principally  elastic,  the  stress  range  is  used  to  characterise  the  component  and  produce  a  reference  S-­‐N  curve.    For  higher  stresses  resulting  in  LCF  plastic  strain  is  extensive  and  the  strain  range  is  typically  (but  not  always)  used.        DAMAGE–TOLERANT  OR  FAIL-­‐SAFE:        This  approach  recognises  that  all  structures  contain  defects  and  that  these  grow  at  stable  and  predictable  rates.  The  strategy  involves  periodic  inspection  of  the  structure  and  repairs  or  replaces  components  as  cracks  are  found.    This  is  generally  used  where  failure  would  not  result  in  component  failure  due  to  structural  redundancy.  A  greater  proportion  of  the  useful  life  is  used  and  the  risk  of  wrong  assumptions  in  the  predictive  process  are  dimished.        Thus  if  the  maximum  size  of  the  initial  defects  in  the  structure  is  known  (amax)  the  interval  between  inspections  is  determined  by  the  time  predicted  for  this  crack  to  achieve  critical  size  (t1).    The  component  may  survive  several  iterations  (two  in  the  case  below)  before  being  replaced.    

       Following  the  development  of  fracture  mechanics  for  monotonic  deformation  Paris  recognised  in  the  1960’s  that  the  same  concepts  of  stress  intensity  could  be  applied  to  fatigue  to  estimate  the  fatigue  crack  growth  rate  and  thus  predict  the  time  taken  for  the  crack  to  reach  an  unstable  size.          

Page 47: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   46  

PARIS  LAW    If  the  rate  of  crack  growth  is  measured  and  plotted  against  the  ΔK  on  a  log-­‐log  plot  the  curve  takes  the  general  sigmoidal  form  shown  below.  

     I:  Crack  initiation,  crack  at  45°  following  slip  planes    II:  Crack  propagates  at  90°  to  tensile  axis,  striations  formed    III:  Final  rupture                  

 There  are  three  distinct  regions,  an  initial  stage  usually  showing  a  threshold  value  for  ΔK,  a  2nd  stage  where  the  crack  growth  rate  shows  a  power  law  dependence  on  ΔK  only;  and  a  final  stage  where  the  crack  growth  rate  approaches  infinity  as  the  ΔK  reaches  ΔKIc.      The  central  region  is  the  most  useful  as  it  allows  the  CGR  for  the  major  part  of  the  life  to  be  predicted  from  a  knowledge  of  the  conditions  at  the  crack  tip.    This  equation  is  known  as  the  Paris  Equation.      

mKCdNda

Δ=    

 where  m  ≈  4  but  can  vary  from  2-­‐7  for  various  materials.    This  implies  that  da/dN  does  not  depend  on  the  value  of  R.    This  is  not  strictly  the  case  particularly  for  low  values  of  R  where  the  crack  closes  during  the  cycle  (see  p59).    Note:  Minor’s  Law  follows  directly  from  the  Paris  Law  –  see  question  sheet  2      LEAK  BEFORE  BREAK:      A  special  case  of  the  fail-­‐safe  approach  widely  used  for  pressure  vessels  and  pipes.    The  thickness  and  properties  of  the  vessel  are  arranged  so  that  a  through-­‐thickness  crack  does  not  propagate  catastrophically.    This  means  that  the  crack  will  be  below  the  critical  size  for  the  stress  on  the  vessel.    Such  a  leak  can  be  detected  and  repaired  without  the  severe  consequences  of  the  rupture  of  the  vessel.  

log(

da/d

N)

log ΔK

Fracture

I II III m

KIc

Page 48: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   47  

TOTAL  LIFE  APPROACH      If  we  perform  a  series  of  tests  at  varying  stress  ranges  and  plot  the  number  of  cycles  to  failure  the  life  increases  as  the  stress  range  decreases.    Some  materials  (typically  low  alloy  steels  and  Titanium  alloys)  show  an  asymptote  to  a  fatigue  limit,  otherwise  (high  alloy  steels  and  aluminium),  an  endurance  limit  is  set.    

Δσ

ln N

Fatigue limit

10 Endurance limit

S-N curve

7  

BASQUIN’S  LAW    The  curve  can  be  approximated  by  an  empirical  expression  due  to  Basquin:    

Δσ2

=σ a = "σ f 2Nf( )b    Nf  is  the  number  of  complete  cycles  to  failure.  

where  σf’  is  the  fatigue  strength  coefficient  ≈  σf    the  static  fracture  strength  and  b  takes  the  value  –0.05  to  –0.12  for  metals.    COFFIN  MANSON  LAW.    Under  conditions  of  high  plastic  deformation  we  have  low  cycle  fatigue  conditions  and  for  strain  controlled  tests,  Coffin  and  Manson  independently  noted  an  empirical  relation  very  similar  to  Basquin’s  law.      The  total  strain  amplitude  can  be  split  into  plastic  and  elastic  components:    

222pe εΔ

+εΔ

=εΔ

   

 where  the  plastic  component  is  linear  when  plotted  against  the  log  (number  of  load  reversals),  2Nf  :    

Δεp2

= "εf 2Nf( )c  

 Here  εf’  is  the  fatigue  ductility  component  and  roughly  equal  to  the  failure  ductility  in  tension,  and  c  takes  the  value  –0.5  to  –0.7  for  metals.        Adding  in  the  Basquin’s  law  for  the  ‘elastic’  (high  cycle  fatigue)  component  we  have:  

Δε2=

"σ f

E2Nf( )

b+ "εf 2Nf( )

c  

 Plotting    log(Δε)  against  log  (2Nf)  gives  two  distinct  regimes,  at  low  strain  and  long  life  the  gradient  b  

Page 49: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   48  

(-­‐0.1)  dominates,  HCF  conditions,  and  at  high  strain  and  short  life  the  gradient  is  c    (-­‐0.5).    The  transition  is  gradual  but  extrapolating  the  asymptotes  allows  a  transition  number  of  cycles,  2Nt,  to  be  identified.  

log 2Nf

logΔε c

b

εf

2Nt  Note:  fatigue  is  inherently  variable  variation  in  life  of  100%  is  not  unusual  for  nominally  the  same  test.  This  is  masked  by  the  widespread  use  of  log  plots.    The  intercepts  of  the  two  ‘parts’  of  the  curve  correspond  roughly  to:    

1. LCF:  the  total  strain,  plastic  and  elastic,  at  failure.  2. HCF:  the  elastic  component  of  the  strain  at  failure  

     Let’s  put  some  figures  in  here:       E   σf’   εf’   b   c  Aluminium  7075   72GPa   193MPa   1.8   -­‐0.106   -­‐0.690  Steel  0.15%C   210GPa   827MPa   0.95   -­‐0.110   -­‐0.640      

Aluminium:  Δε2=19372000

2Nf( )−0.106

+1.8 2Nf( )−0.69

       

(HCF  intercept    666  times  less  than  the  LCF  intercept  -­‐  note  log  scale)      

Steel:    Δε2=

827210000

2Nf( )−0.11

+0.95 2Nf( )−0.64

   

(HCF  intercept  240  times  less  than  LCF)        

Page 50: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   49  

TOTAL  LIFE  APPROACH  -­‐  COPING  WITH  FATIGUE  VARIABLES    There  is  a  huge  number  of  variables  in  fatigue  –  far  to  many  to  construct  S/N  curves  for  all  combinations  even  if  they  did  not  change  during  the  lifetime  of  the  component.    The  challenge  is  to  understand  how  the  damage  produced  by  fatigue  varies  with  these  parameters  and  adds  together  over  a  complex  life  cycle.    The  effect  of  increasing  the  mean  stress  is  to  decrease  the  fatigue  life.  Several  relations  exist  to  link  the  stress  range  and  the  mean  stress  for  a  given  life.  The  simplest  are  linear  extrapolations  indicating  that  the  sample  will  fail  at  the  static  yield  stress  in  the  absence  of  a  stress  range  and  at  the  fatigue  strain  at  zero  mean  strain.    

   

σa = σa |σ m =0 1− σm

σ y

⎧ ⎨ ⎩

⎫ ⎬ ⎭     Soderberg:  original  and  most  conservative  

   

σa = σa |σ m =0 1− σm

σTS

⎧ ⎨ ⎩

⎫ ⎬ ⎭   Goodman  relation:  good  for  Brittle  materials      

conservative  for  metals    

(Other  expressions  exist  giving  non-­‐linear  extrapolations    

 

Page 51: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   50  

GOODMAN  DIAGRAM      The  effect  of  mean  stress  and  R  value  can  be  expressed  on  a  ‘Goodman  diagram’  shown  below:  

σmin

σmax

   MEAN  STRESS:    THE  ROLE  OF  RESIDUAL  STRESS    Stresses  formed  internally  in  a  material,  for  example  during  quenching  or  by  Shot  peening  can  have  a  profound  influence  on  the  fatigue  life  –  both  positive  and  negative.  Effectively  this  sets  up  a  mean  stress  varying  throughout  the  microstructure  which  can  extend  the  life  when  compressive  and  shorten  it  when  tensile.  For  example;  bombarding  the  surface  with  ball  bearings  ia  widely  used  to  extend  fatigue  life  by  setting  up  compressive  stresses  in  the  surface  layers.  Conversely,  tensile  stresses  deep  within  a  quenched  component  can  lead  to  accelerated  fatigue  crack  growth  and  premature  failure.  Hence  a  great  deal  of  effort  and  resources  are  devoted  to  measuring  residual  stress  and  relieving  it  where  necessary.      Residual  stress  can  be  measured  by  the  following  methods    X-­‐ray  diffraction  –usually  using  high  intensity  synchrotron  sources  to  reach  the  thick  sections  as  this  has  to  be  done  in-­‐situ.    The  stress  can  be  measured  directly  from  the  change  in  the  lattice  parameter  from  the  elastic  strain.      Hole  drilling  –  by  drilling  holes  the  distortion  in  the  vicinity  can  be  measured  as  the  stress  relaxes  by  the  use  of  strain  gauges  or  direct  measurement.    Modeling:  increasingly  accurate  models  of  the  elastic  and  plastic  deformation  occurring  during  processing  allow  us  to  estimate  residual  stress.    TEMPERATURE    Temperature  has  environmental  effects  on  fatigue  developed  later.  It  is  possible  to  adjust  for  the  simple  effect  on  yield  stress  where  the  nature  of  fatigue  does  not  change  by  normalizing  the  applied  stress  with  the  yield  stress.    Plotting  against  σ/σy  often  collapses  datasets  to  the  same  curve.    

Page 52: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   51  

COPING  WITH  VARIABLE  STRESS  -­‐    MINERS  LAW:    In  real  situations  components  very  rarely  experience  constant  regular  damage.    The  level  of  stress  or  strain  can  vary  throughout  life  and  the  simplest  way  of  dealing  with  this  is  by  the  use  of  Miners  law.    This  proposes  that  the  life  of  a  component  experiencing  fatigue  at  various  stress  amplitudes  can  be  assessed  by  expressing  the  number  of  cycles  at  each  amplitude  as  a  proportion  of  total  life  and  summing  the  fractions.    When  the  fraction  reaches  1,  the  fatigue  life  is  exhausted.  The  order  of  exposure  is  not  taken  into  account.      

σ

time      

 niNfi

=1i=1

m

∑   Miner’s  Law  

     This  is  useful  as  a  first  approximation  but  has  serious  shortcomings.    The  most  important  being  that  no  account  can  be  taken  of  the  impact  of  prior  damage  on  the  later  exposure  at  a  different  stress  (or  strain)  amplitude.  In  particular  the  balance  between  crack  initiation  and  crack  growth  can  vary  considerably  with  stress,  thus  brief  exposure  to  high  amplitude  may  nucleate  damage  which  at  a  lower  stress  would  not  occur  until  a  much  later  stage  and  thus  accelerate  the  damage  rate  at  a  subsequent  lower  stress.  Conversely,  early  exposure  to  low  stress  amplitude  may  strain  harden  the  material  and  thus  prolong  life  during  later  high  amplitude  exposure.    This  emphasizes  the  importance  of  looking  at  the  specific  mechanisms  of  damage  and  how  it  accumulates  in  the  material.                

Page 53: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   52  

DEVELPOMENT  OF  INTERNAL  MICROSTRUCTURE  DURING  FATIGUE    For  some  situations  the  loading  conditions  are  controlled  by  the  amplitude  of  the  strain  rather  than  the  stress.    This  is  reflected  in  the  tests  which  are  done  under  strain  control.  These  are  also  most  likely  to  be  the  conditions  where  plastic  deformation  forms  a  considerable  proportion  of  the  strain,  LCF.        Where  the  strain  is  kept  constant  the  stress  can  either  increase  (cyclic  hardening)  decrease  (cyclic  softening)  or  stay  the  same.      

       

Typically  materials  harden  if        σUTSσ ys

>1.4      and  soften  if    σUTSσ ys

<1.2  

     To  understand  why  this  occurs  we  need  to  consider  dislocation  microstructure  of  the  material.        

• From  the  above  materials  where  the  initial  state  is  highly  work  hardened  the  dislocation  density  is  high,  the  effect  of  the  cyclic  strain  is  to  allow  the  rearrangement  of  the  dislocations  into  stable  networks,  reducing  the  stress  at  which  the  plastic  component  occurs,  and  thus  the  effective  stress.        

• Conversely  where  the  initial  dislocation  density  is  low,  (soft  material)    the  cyclic  strain  increases  the  dislocation  density  increasing  the  amount  of  elastic  strain  and  the  stress  on  the  material.        

For  a  given  alloy  both  hard  and  soft  materials  tend  to  a  stable  dislocation  configuration.    For  example,  detailed  work  on  the  development  of  dislocation  configurations  in  copper  and  shows  that  a  stable    ‘Labyrinth’  structure  develops  (see  the  figure  on  page  52  from  Suresh,  chapter  2)          

σt

σc

εt

εc σc <σt

σt

σc

εt

εc σc <σt

σσ

Cyclic hardening Cyclic softening

Page 54: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   53  

As  the  fatigue  establishes  a  stable  microstructure  the  hysteresis  loop  becomes  stable  at  some  point  during  the  test.    When  this  ‘stable  loop’  is  plotted  as  a  function  of  increasing  stress  (or  strain)  the  locus  of  the  maximum  values  from  a  series  of  tests  defines  a  ‘cyclic  stress  strain  curve’.    

     

Page 55: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   54  

BAUSCHINGER  EFFECT    

                         

Strain  control  first  cycle  showing  the  Bauschinger  effect.    During  cyclic  deformation  the  material  can  retain  a  ‘memory’  of  the  initial  plastic  strain  which  reduces  the  stress  at  which  plastic  yield  occurs  in  the  reverse  cycle.        This  effect  can  persist  for  many  cycles  and  is  known  as  the  BAUSCHINGER  EFFECT.    This  reversible  but  plastic  deformation  can  occur  by  dislocation  pile-­‐ups  at,  for  example,  incoherent  or  semi-­‐coherent  precipitates  exerting  a  back-­‐stress  which  assists  plastic  yield  in  compression.    This  reduces  the  yield  stress  in  compression.  

 

σt

σc

εt

εc σc <σt

σt

σc

εt

εc σc <σt

Δσb

Page 56: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   55  

     

The  picture  above  shows  a  single  crystal  superalloy  CMSX-­‐4  fatigued  in  LCF  at  750ºC  and  interrupted  at  about  half  the  expected  life.    In  this  section  cut  on  the  primary  slip  plane  dislocation  loop  enter  the  γ’  phase  precipitates  trailing  Anti-­‐Phase  Boundary  faults  –  under  max  stress  the  loops  expand  contracting  as  the  stress  decreases.      

           

Page 57: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   56  

THE  EFFECT  OF  STACKING  FAULT  ENERGY:    The  material  response  is  closely  linked  to  the  stacking  fault  energy  since  this  governs  the  ability  of  the  dislocation  to  cross-­‐slip  between  planes  and  thus  form  stable  cell  structures.        High  SFE  ⇒  easy  cross-­‐slip  ⇒  rapid  formation  of  stable  cell  structure.        

     For  high  SFE  materials  the  cell  size  is  a  decreasing  function  of  the  strain  range  and  ultimately  does  not  depend  on  the  starting  microstructure.      Very  low  SFE  e.g.  Cu  7.5%  Al,  materials  do  not  form  stable  cell  structures,  the  highly  dissociated  dislocations  being  arranged  in  planar  arrays  where  the  spacing  depends  on  the  initial  state.    The  microstructures  and  lives  are  thus  very  sensitive  to  the  prior  deformation  state.      

Page 58: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   57  

CYCLIC  SOFTENING  OF  PRECIPITATION  HARDENED  ALLOYS:    Another  cause  of  cyclic  softening  of  major  importance  is  the  cutting  of  coherent  precipitates  in  precipitation-­‐hardened  alloys.    Small  coherent  precipitates  provide  very  effective  hardening  in  aluminium  alloys  and  in  nickel  based  superalloys.    The  small  size  maximises  the  cutting/bowing  stress  for  dislocations  in  the  matrix  and  the  coherency  enhances  the  stability  of  these  small  precipitates.    However  when  a  dislocation  does  cut  the  precipitate  the  fault  produced  in  the  precipitates  decreases  the  stress  for  the  following  dislocation  since  the  energy  penalty  of  the  fault  no  longer  applies  and  indeed  may  be  negative.    Thus  slip  is  concentrated  in  narrow  slip  bands  cutting  the  precipitates  in  two.  These  smaller  precipitates  may  dissolve  in  these  areas  leaving  the  un-­‐strengthened  matrix  vulnerable  to  high  plastic  deformation  and  early  crack  formation.          

   Here  cutting  of  precipitates  early  in  this  test  (TMF  of  Nimonic  90)  has  caused  the  γ’  to  dissolve  leaving  precipitate  free  channels  in  the    alloy.    The  precipitates  are  visible  from  the  dislocations  wrapped  around  them  

(a) OP (±0.4)

Page 59: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   58  

CRACK  MORPHOLOGY    The  three  regions  can  be  identified  from  the  morphology  of  the  fracture  surface.    

I. Initiation;  crack  initiates  at  intrusions  and  follows  slip  plane  at  approximately  45°  to  principle  stress  direction.  When  the  length  is  sufficient  for  the  stress  field  at  the  tip  to  become  dominant  the  overall  crack  plane  becomes  perpendicular  to  the  principle  stress  and  the  crack  enters  stage  II.    

II. Growth  typically  showing  striations  for  each  cycle  and  beach  marks  at  points  where  conditions  changed.    Striations  may  be  obscured  by  closure  damage  or  by  oxide  formation  at  high  temperatures.    

III. Final  failure  –  ductile  or  brittle  rupture  associated  with  fast  fracture.    

Intrusions and extrusions

Crack -Stage I

Crack Stage II

 Crack  stage  I  growth  at  45°  to  stress  axis,    following  persistent  slip  bands,  during  stage  II  turns  to  growth  normal  to  stress  axis.        

   

Formation  of  striations  by  ductile  flow  during  crack  growth    WARNING:  Crack  morphologies  can  differ  from  this  simple  formula  having  more  or  fewer  stages.    Not  all  fatigue  failures  show  striations  or  a  clear  stage  I.    There  may  also  be  different  morphologies  as  ΔK  or  the  microstructure  change.      

Page 60: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   59  

STRUCTURAL  FEATURES  OF  FATIGUE  CRACK  INITIATION:    Here  we  look  briefly  at  the  effect  of  surface  condition,  the  evolution  of  damage,  and  the  effect  of  coatings  and  surface  treatments  on  the  initiation  and  propagation  of  fatigue  cracks.    INITIATION  BY  DEFORMATION    Fatigue  failures  can  occur  at  stress  of  1/3  the  tensile  yield  stress,  yet  the  nucleation  of  cracks  requires  that  there  be  local  yielding.    We  thus  need  heterogeneous  nucleation  sites  for  cracks  within  the  structure.      

• Pre-­‐existing  defects  such  as  inclusions,  porosity,  surface  damage  • Defects  generated  during  cyclic  straining  for  example  at  stress  concentrations:  persistent  slip  

bands,  Fracture  of  carbides,  oxidation  of  carbides.      In  pure  metals  the  major  source  of  fatigue  cracks  is  the  persistent  slip  bands  or  PSBs:    so  called  because  traces  of  the  bands  persist  even  after  surface  damage  is  polished  away.    The  plastic  strain  in  the  PSB  is  100  times  greater  than  that  in  the  surrounding  material  and  results  from  specific  arrangements  of  dislocations  as  parallel  walls  with  relatively  low  dislocation  density  between.    An  equilibrium  is  maintained  between  nucleation  and  annihilation  of  mobile  edge  dislocations  bowing  out  from  the  walls.    Thus  the  cyclic  strain  is  concentrated  in  these  zones  leading  to  their  persistence.    Although  the  strain  is  reversed  within  the  PSB  the  distribution  is  not  even  and  this  leads  to  the  formation  of  intrusions  and  extrusions  where  PSBs  intersect  the  surface.    These  may  act  as  nucleation  sites  for  cracks.  The  initial  stages  of  crack  growth  therefore  often  follow  the  slip  planes  and  lie  at  45°  to  the  tensile  axis  (see  later).    

   Diagram  showing  the  formation  of  intrusions  and  extrusions  at  a  persistent  slip  band.    In  the  vast  majority  of  cases  fatigue  initiates  on  the  surface,  however  cracks  can  sometimes  initiate  internally  at  defects  cracked  precipitates  of  internal  porosity.    The  crack  then  grows  under  vacuum  until  it  reaches  an  external  surface.    This  gives  a  characteristic  circular  area  on  the  fracture  surface.      Once  the  crack  becomes  a  surface  crack  and  air  is  admitted  and  the  stress  intensity  increases  and  the  growth  rate  increases.    This  sometimes  leads  to  immediate  failure.    

Page 61: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   60  

       EFFECTS  OF  OXIDATION  AND  CORROSION    The  absence  of  a  fatigue  limit  is  normally  and  indication  of  material  which  is  immune  from  corrosion  or  oxidation  effects  –  otherwise  the  mere  passage  of  time  will  eventually  allow  the  initiation  and  propagation  of  cracks  even  at  very  low  stress.    

!    At  high  temperatures  oxidation  at  grain  boundaries,  Carbides  or  as  in  the  single  crystal  above,  in  areas  where  the  composition  varies  slightly,  results  in  crack  initiation.  The  oxide  layer  cracks  and  the  crack  propagates  into  the  substrate  thus  allowing  further  oxidation.    

Page 62: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   61  

COATINGS  AND  SURFACE  LAYERS    Coatings  with  different  mechanical  properties  to  the  substrate  can  accelerate  cracking  by  promoting  rapid  initiation.  

                                     CoNiCrAlY  coating  on  IN738  Tested  in    

TMF  300°C  –  850°C      DESIGN  AGAINST  INITIATION    Where  initiation  occupies  most  of  the  life  of  the  sample,  initiation  control,  any  measure  which  reduces  crack  nucleation  will  extend  life.        Surface  damage,  even  scratches  can  act  as  stress  concentrators  and  lead  to  local  plastic  deformation  and  crack  initiation.    High  cycle  fatigue  is  very  sensitive  to  surface  finish  and  can  be  extended  by  polished  surface  finish.        Corrosion  protection  to  suppress  the  formation  of  cracks  at  interfaces  by  preferential  attack    Treatments  which  induce  a  residual  compressive  stress  in  the  surface  layer  will  extend  life  by  reducing  the  mean  stress  at  the  surface  and  delaying  the  onset  of  cracking.    Carburising,  Nitriding,  shot  peening.    Coatings  have  different  stress  and/or  thermal  response  to  the  imposed  stress  may  crack.    The  crack  can  act  as  a  stress  concentrator  and  promote  early  cracking.  Thermal  barrier  coatings  accelerate  HCF  failure.    Pores  act  as  stress  concentrators  and  a  major  source  of  fatigue  cracks  in  single  crystal  superalloys:  remove  by  HIPING.      As  with  fracture  plastic  deformation  in  the  matrix  can  cause  cracking  of  carbides  and  the  nucleation  of  cracks.    

Page 63: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   62  

FACTORS  EFFECTING  CRACK  GROWTH  RATES    In  predicting  the  life  of  a  component  we  have  to  consider  the  possibility  that  the  material  is  subject  to  other  degradation  processes  such  as  corrosion,  oxidation  or  creep  which  affect  the  crack  growth.    Damage  usually  accelerates  crack  growth,  but  can  repair  and  mitigate  the  effects  of  the  other  process.    Tests  investigating  these  effects  compare  behaviour  in  vacuum  with  that  in  air  or  other  damaging  environments.  Alternatively,  introducing  a  dwell  time  at  maximum  and  or  minimum  stress  can  change  the  crack  growth  rate.  The  higher  the  test  frequency  the  smaller  the  possible  contribution  from  creep/corrosion  will  be  and  a  strong  dependence  of  life  on  the  frequency  can  indicate  some  other  contribution.    (This  may  also  show  up  as  a  mismatch  between  HCF  and  LCF  data  when  plotted  on  the  same  graph  as  on  page  47.)      CREEP    Creep  can  increase  or  decrease  fatigue  life:  possible  mechanisms  of  interaction  are:  

• An  increase  in  dislocation  density  due  to  fatigue  can  increase  creep  rate  through  dislocation  movement  and  /or  enhanced  diffusion.  

• Increasing  dislocation  density  can  also  decrease  primary  creep  (see  earlier).  • Cutting  of  grain  boundary  porosity  increasing  the  growth  rate  of  the  pores  • Blunting  of  crack  tip  by  creep  can  reduce  crack  growth  rate  and  hence  fatigue    • damage  rate.  

 

   Graph  of  a  constant  strain  fatigue  test  with  a  dwell  at  both  the  upper  and  lower  temperatures.    During  the  dwell  the  specimen  creeps  to  reduce  the  stress.          

Page 64: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   63  

OXIDATION:  

   Allvac  718Plus:    Fatigue  of  this  Ni-­‐based  alloy  deformed  with  3s  cycle  (3S)  and  same  plus  100  s  dwell  (3S+100)  at  650ºC.    Here  the  effects  are  due  to  oxidation  at  the  crack  tip.    The  two  heat  treatments  A1  and  A3  respond  differently  to  the  3  s  cycle  but  the  dwell  removes  this  difference.          ENVIRONMENTAL  EFFECTS  -­‐  WATER  VAPOUR    At  low  temperatures  water  can  have  a  profound  effect  on  the  crack  growth  rate.    Hydrogen  embrittlement  in  steels  is  a  good  example.    The  electrochemical  cell  set  up  within  the  crack  allows  H  to  enter  the  metal  and  diffuse  ahead  of  the  crack  tip.    The  resulting  hardening  enhances  crack  growth.    The  apparent  activation  energies  for  the  crack  growth  rate  match  those  for  H  diffusion.    

 

Page 65: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   64  

   Al  alloy  fatigue  tested  in  Argon  and  damp  air  –  the  water  vapour  accelerates  crack  growth  above  a  threshold  of  ~  2.0  Pa  but  the  effect  becomes  saturated  at  6.9  Pa.  Studies  analysing  the  surface  show  a  similar  trend  in  the  oxides  formed  at  the  newly  exposed  crack  tips.    CRACK  CLOSURE    The  plastic  deformation  at  the  fracture  surface,  distortion  or  oxide  growth  during  exposure  can  all  act  to  cause  the  crack  faces  to  touch  before  the  elastic  deformations  of  the  sample  would  predict.    This  means  that  the  stress  intensity  range  is  effectively  reduced.    Clearly  this  will  have  a  greater  effect  the  closer  the  minimum  stress  intensity  is  to  zero.    

Kmax

Kop

Kmin

Time

ΔKeff

Closure

 Crack  Closure:  Effective  stress  range  where  crack  does  not  fully  close.  

 The  Paris  equation  can  be  modified  to  use  a  reduced  value  of  the  stress  intensity  factor    ΔKeff.    

( )mmeff KUCKC

dNda

Δ=Δ=   where    KKU eff

Δ

Δ=  

 

Page 66: C15H

Part  II  Lent  2013       FRACTURE  AND  FATIGUE   65  

 Mechanisms  proposed  to  cause  crack  closure:  

Plasticity Stress induced transformation

Mode II displacement Oxide debris  

 Using  crack  closure  to  adjust  for  R  ratio:    The  crack  growth  rate  curves  below  have  been  measured  at  different  R  ratios  –  this  gives  rise  to  different  amounts  of  crack  closure.    All  the  data  can  by  condensed  onto  a  single  line  by  judicious  use  of  ∆Keff.    Usually  suitable  U  values  are  fitted  experimentally.          

 

Page 67: C15H

Part  II  Lent  2013       C15  FRACTURE  AND  FATIGUE   QUESTION  SHEETS  

QUESTION SHEET 1 (Lectures 1-6)  

1. (a) The singular terms in the equation for the elastic stress field around the tip of a sharp crack under Mode I loading in plane stress are:      

σ11 =σo πa

2πrcos θ

2

% & '

( ) *

1+ sin θ2

% & '

( ) *

sin 3θ2

% & '

( ) *

+

, -

.

/ 0  

σ22 =σo πa

2πrcos θ

2

% & '

( ) *

1− sin θ2

% & '

( ) *

sin 3θ2

% & '

( ) *

,

- .

/

0 1    

τ12 =σo πa

2πrsin θ

2

& ' (

) * +

cos θ2

& ' (

) * +

cos 3θ2

& ' (

) * +    

       where the crack lies in the x2 direction along the x2x3 plane. Convince yourself that at a general position (r, q) the shear stress τ12 is finite, where is the shear stress zero? Assuming a state of plane stress, i.e. σ3 = 0, find the expressions for the principal stresses σ1 and σ2, i.e. the maximum values of the normal stresses when the shear stresses are zero. This can be done by diagonalising the stress tensor or more simply by using Mohr’s circle, (θ is the angle between the direction vector and the y axis 2).    For conditions of plane strain write down an estimate for the out-of-plane principal stress σ3 (σ3 = υ [σ1 + σ2]) and thus demonstrate that it is non-zero. Hence demonstrate that the hydrostatic component of the stress tensor is larger in plane strain that in plane stress.   (b) Using the result from (a) for the principal stresses combine these using the Tresca yield criteria (σmax – σmin) = σy. Hence plot out the shapes and relative sizes of the plastic zone in the x1x2 plane under conditions of (i) plane stress and, (if time and patience allow) (ii) plane strain, for a non-work-hardening material. On which planes does the plastic deformation occur in the two cases?      The Tresca yield criterion looks at the maximum difference between the principal stresses and assumes that yield occurs when this reaches the tensile yield stress. Take Poisson’s ratio as 0.3. For a reminder on the use of Mohr’s circle try the DoITPoMS site:

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/metal-forming-1/index.php

1

2

3

Page 68: C15H

Part  II  Lent  2013       C15  FRACTURE  AND  FATIGUE   QUESTION  SHEETS  

2. A directionally solidified inter-metallic has a grain structure which can be modelled as a series of hexagonal prisms separated by high angle grain boundaries. The material has limited ductility and fails in a brittle manner. By considering the value of G, the energy release rate and R, the energy of fracture, evaluate whether the intermetallic will fail in an inter-granular of a trans-granular manner for the two different orientations of the grain structure below loaded in pure mode I opening. You can assume that the energy of fracture R is reduced by the grain boundary energy for intergranular failure. The grain boundary energy is half the surface energy of the material and equal for all the boundaries. The variation of the energy release rate, G, as the fracture plane deviates from the plane normal to the loading axis, is given by the graphs on page 16 of the handout.

Would there be any difference for propagation parallel to the grain axes?

Following your conclusions from the above, describe the fracture path you would expect in a more realistic structure where the grains were not so regular.

Page 69: C15H

Part  II  Lent  2013       C15  FRACTURE  AND  FATIGUE   QUESTION  SHEETS  

3 a) A wedge driven into a pre-existing crack along the grain of piece of wood opens up the crack and eventually causes the wood to split along the grain. Sketch how the stored elastic energy varies as the wedge is driven in both before and after the crack starts to grow. Plot U against x. Assume that the crack lies very close and parallel to the straight edge of the wood and that all the strain is in the thinner layer of wood. The elastic energy stored, UE, in a cantilevered beam of depth d opened by a

wedge of height h is given by:

UE =Ed3h2B

8a3 (B is the width into the page)

b) Derive an expression for the energy release rate as the crack grows. Will the crack grow in a stable or unstable manner as the wedge is driven in at a steady rate? It is found that the crack starts to grow when the wedge is on average 100 mm from the crack tip, i.e. a = 100 mm. If the modulus of the wood along the grain is 10 GPa, d = 5 mm and h = 3 mm estimate the resistance to crack growth R of the wood along the grain. Hence estimate the toughness.

Page 70: C15H

Part  II  Lent  2013       C15  FRACTURE  AND  FATIGUE   QUESTION  SHEETS  

c) A manufacturer of disposable chopsticks makes them from the same wood leaving a small section of wood joining the pair for the user to break. He wants to ensure that the two sticks will be easy to separate along the grain. Show that the force required to pull the two sticks apart as shown in the diagram

is given by the expression

If the length of the cut between the two sticks is 200 mm and the sticks are a square section of 5 mm calculate the force.

4. a) A cylindrical pressure vessel of diameter 1 m is made from a steel of toughness 70 MPa m1/2 and with a yield strength of 440 MPa. What is the maximum possible thickness that the vessel can be made if it were to leak before break? The internal pressure is 10 MPa. Design criteria specify a safety margin of 10% for the thickness – what thickness would you specify to ensure leak before break? What is the maximum stress and does this exceed the yield stress? b) The inside of the vessel is given a proprietary laser treatment to double the hardness and improve the resistance to chemical attack. This coating reaches a depth of 2 mm. Unfortunately it also decreases the toughness to 35 MPa m1/2. What is the critical crack size in the laser treated material? Describe what will happen to a crack propagating from the inside through the hardened layer and into the untreated steel of the pressure vessel. Does the layer affect the safety of the vessel? Consider the effects of the coating on both static loading and fatigue.

Estimate the plastic zone size i) in the coating and ii) in the main body of the vessel and explain the basis of your calculation.  

Fmax =Ed3R4 × 3

#

$ %

&

' (

1/ 2Ba

Page 71: C15H

Part  II  Lent  2013       C15  FRACTURE  AND  FATIGUE   QUESTION  SHEETS  

QUESTION SHEET 2 (LECTURES 7-9) 1. In a thermal expansion joint a component is subjected to a large plastic strain

range and fails after 2000 cycles. If the plastic strain range is halved, by how many cycles is the life of the component increased. Assume a Coffin Manson exponent, c, of -0.5.  

2. An aeroplane fuselage is subjected to fluctuating stresses of range (minimum to maximum) 150 MNm-2, with a maximum tensile stress of 200 MNm-2. If ultrasonic NDT techniques can only be guaranteed to detect internal defects greater than 1 mm in total length, recommend appropriate periods for major inspection of the fuselage. Clearly state any assumptions.    [The material has a fracture toughness of 32 MPam1/2 for this thickness of fuselage. The growth of a fatigue crack of length a metres with respect to the number of cycles, N, is given by the expression:    

dadN

= 4.08 ×10−11 ΔK4

1−R( )0.7  

 Where ΔΚ is given by ( Kmax - Kmin ) and is in MPam1/2.  The correction (1 - R)0.7 is an empirical expression for converting data obtained at different R values.]    

3. In a structural steel the fatigue-crack growth per cycle da/dN, is given by:    

dadN

=10−13ΔK3 m/cycle  

 Where ΔΚ is the alternating stress intensity in MPam1/2. The initial crack size (half length) a = 2mm and the critical size at which failure occurs acrit = 10mm. By integrating the expression between fixed limits show that the S-N curve is given by:     logN = -3logΔσ + 13.647     A component of this steel containing initial cracks of half length 2mm is subjected to 5 × 105 cycles at an alternating tensile stress, Δσ, of 354 MNm-2 and to 5 × 106 cycles at 164.3 MNm-2. Given a critical crack length of 10 mm show, by integration of the crack growth rate or otherwise, that Miner’s law is satisfied regardless of the order in which the fatigue cycles occur. (You might like to try proving Minor’s law generally for any combination of stresses)

Page 72: C15H

Part  II  Lent  2013       C15  FRACTURE  AND  FATIGUE   QUESTION  SHEETS  

4. As a general rule the fatigue tolerance of a material scales with the yield stress.

A new alloy ‘Wondalloy’ is available for turbine disks with a higher yield stress which will allow a maximum cyclic stress range of 1000 MPa , increased from the value of 800 MPa for the existing alloy ‘Mundalloy’ (for this application R = 0). The fatigue crack growth rates for both alloys is given by the equation:

dadN

= AΔK4

where the constant A = 2.5 x 10-14 for Mundalloy The fracture toughness of both alloys is 100 MPa m1/2

i) What is the constant A for Wondalloy if the fatigue performance is improved in proportion to the yield stress; conditions of stress and the initial defect size remaining the same?

ii) If Wondalloy is to be used with an increased stress range but with the same service interval of 5,000 cycles what are the implications for the detection of the minimum flaw size? Use the value for A calculated above.

iii) If the inspection technique used for defect detection in Wondalloy is the same as that used for Mundalloy, what would be the maximum interval between inspection services operating Wonderalloy at the higher stress rating?

iv) As an interim measure it is decided to use Wondalloy assessing the defect size

with the same accuracy as Mundalloy. What would be the maximum stress range that could be used?

Quantify your conclusions and state any assumptions you have made.