Slip along a frictional fracture can be approached as initiation and propagation of a mode II crack along its own plane. Fracture mechanics theories predict that under pure mode II loading initiation will occur when the energy release rate of the fracture attains a critical value ($G_{IIC}$), which is generally taken as a material property. For the past few years the rock mechanics group at Purdue University has investigated experimentally the dependence of $G_{IIC}$ on normal stress and on the frictional characteristics of a fracture. A number of experiments has been conducted first on acrylic, a material that, using photoelastic methods, allows visualization of the stress field ahead of the fracture tip; and later on gypsum, a rock model material with relatively low unconfined compression strength. The experimental investigation has been expanded to include other frictional materials with higher unconfined compression strength. Direct shear tests have been conducted on specimens made with cement paste. New observations together with previous experiments indicate that $G_{IIC}$ can only be considered a material property when the peak friction angle of the discontinuity is similar to the residual friction angle; otherwise the critical energy release rate increases with normal stress.
Dong-Wook Hwang;Sanjay Kumar;Dong-Hun Ha;Su-Min Jo;Yun-Hae Kim
Composites Research
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v.36
no.4
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pp.259-263
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2023
This study investigated the open hole tensile (OHT) properties of carbon fiber/epoxy composites and compared them to bolt joint tensile (BJT) properties. The net nominal modulus and strength (1376 MPa) were found to be higher than the gross nominal strength (1041 MPa), likely due to increasing hole size. The OHT and BJT specimens exhibited similar stiffness, as expected without bolt rotation causing secondary bending. OHT specimens experienced a sharp drop in stress indicating unstable crack propagation, delamination, and catastrophic failure. BJT specimens failed through shear out on the bolt side and bearing failure on the nut side, involving fiber kinking, matrix splitting, and delamination, resulting in lower strength compared to OHT specimens. The strength retention of carbon fiber/epoxy composites with open holes was 66%. Delamination initiation at the hole's edge caused a reduction in the stress concentration factor. Filling the hole with a bolt suppressed this relieving mechanism, leading to lower strength in BJT specimens compared to OHT specimens. Bolt joint efficiency was calculated as 15%. The reduction in strength in bolted joints was attributed to fiber-matrix splitting and delamination, aligning with Hart Smith's bolted joint efficiency diagram. These findings contribute to materials selection and structural reliability estimation for carbon fiber/epoxy composites. They highlight the behavior of open hole and bolt joint configurations under tensile loading, providing valuable insights for engineering applications.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.8
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pp.1398-1408
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2003
Tensile and LCF(low cycle fatigue) tests were carried out in air at wide temperature range 20$^{\circ}C$-750$^{\circ}C$ and strain rates of 1${\times}$10$\^$-4//s-1${\times}$10$\^$-2/ to ascertain the influence of strain rate on tensile and LCF properties of prior cold worked 316L stainless steel, especially focused on the DSA(dynamic strain aging) regime. Dynamic strain aging induced the change of tensile properties such as strength and ductility in the temperature region 250$^{\circ}C$-600$^{\circ}C$ and this temperature region well coincided with the negative strain rate sensitivity regime. Cyclic stress response at all test conditions was characterized by the initial hardening during a few cycles, followed by gradual softening until final failure. Temperature and strain rate dependence on cyclic softening behavior appears to result from the change of the cyclic plastic deformation mechanism and DSA effect. The DSA regimes between tensile and LCF loading conditions in terms of the negative strain rate sensitivity were well consistent with each other. The drastic reduction in fatigue resistance at elevated temperature was observed, and it was attributed to the effects of oxidation, creep and dynamic strain aging or interactions among them. Especially, in the DSA regime, dynamic strain aging accelerated the reduction of fatigue resistance by enhancing crack initiation and propagation.
Shemirani, Alireza Bagher;Sarfarazi, Vahab;Haeri, Hadi;Marji, Mohammad Fatehi;Hosseini, Seyed shahin
Computers and Concrete
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v.21
no.2
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pp.189-197
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2018
A discrete element approach is used to investigate the effects of confining stress on the shear behaviour of joint's bridge area. A punch-through shear test is used to model the concrete cracks under different shear and confining stresses. Assuming a plane strain condition, special rectangular models are prepared with dimension of $75mm{\times}100mm$. Within the specimen model and near its four corners, four equally spaced vertical notches of the same depths are provided so that the central portion of the model remains intact. The lengths of notches are 35 mm. and these models are sequentially subjected to different confining pressures ranging from 2.5 to 15 MPa. The axial load is applied to the punch through the central portion of the model. This testing and models show that the failure process is mostly governed by the confining pressure. The shear strengths of the specimens are related to the fracture pattern and failure mechanism of the discontinuities. The shear behaviour of discontinuities is related to the number of induced shear bands which are increased by increasing the confining pressure while the cracks propagation lengths are decreased. The failure stress and the crack initiation stress both are increased due to confining pressure increase. As a whole, the mechanisms of brittle shear failure changes to that of the progressive failure by increasing the confining pressure.
Panda, Subhransu K;Mishra, Pradeep K;Panda, Subrata K
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.6
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pp.723-735
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2020
This study is reported the adhesion failure in adhesive bonded composite and specifically for the T-joint structure. Three-dimensional finite element analysis has been performed using a commercial tool and the necessary outcomes are obtained via an eight noded solid element (Solid 185-element) from the library of ANSYS. The structural analysis input has been incurred through ANSYS parametric design language (APDL) code. The normal and shear stress distributions along different layers of the joint structure have been evaluated as the final outcomes. Based on the stress distributions, failure location in the composite joint structure has been identified by using the Tsai-Wu stress failure criterion. It has been found that the failure index is maximum at the interface between flange and web part of the joint (top layer) which indicates the probable location of failure initiation. This kind of failures are considered as adhesion failure and the failure propagation is governed by strain energy release rate (SERR) of fracture mechanics. The different adhesion failure lengths are also considered at the failure location to calculate the SERR values i.e. mode I fracture (opening), mode II fracture (sliding) and mode III fracture (tearing) along the failure front. Also, virtual crack closure technique (VCCT) principle of fracture mechanics steps is used to calculate the above said SERRs. It is found that the mode I SERR is more dominating compared to other two modes of failure for the joint considered. Finally, the influences of various parametric (geometrical and material) effect on SERR of the joint structure are evaluated and discussed in details.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.27
no.1
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pp.1-7
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2007
As fiber reinforced composite materials are widely used in aircraft, space structures and robot arms, the study on non-destructive testing methods has become an important research area for improving their reliability and safety. AE (acoustic emission) can evaluate the defects by detecting the emitting strain energy when elastic waves are generated by the initiation and growth of crack, plastic deformation, fiber breakage, matrix cleavage, or delamination. In the paper, AE signals generated under uniaxial tension were measured and analyzed using the $8{\times}8$ matrix piezo electric sensor. The electronic circuit to control the transmitting distance of AE signals was designed and constructed. The optical data storage system was also designed to store the AE signal of 64channels using LED (light emitting diode) elements. From the tests, it was shown that the source location and propagation path of AE signals in composite materials could be detected effectively by the $8{\times}8$ matrix piezo electric sensor.
Additive manufacturing by electron beam melting is an affordable process for fabricating near net shaped parts of titanium and its alloys. 3D additive-manufactured parts have various kinds of voids, lack of fusion, etc., and they may affect crack initiation and propagation. Post process is necessary to eliminate or minimize these defects. Hot isostatic pressing (HIP) is the main method, which is expensive. The objective of this paper is to achieve an optimum and simple post heat treatment process without the HIP process. Various post heat treatments are conducted for the 3D-printed Ti-6Al-4V specimen below and above the beta transus temperature ($996^{\circ}C$). The as-fabricated EBM Ti-6Al-4V alloy has an ${\alpha}^{\prime}$-martensite structure and transforms into the ${\alpha}+{\beta}$ duplex phase during the post heat treatment. The fatigue strength of the as-fabricated specimen is 400 MPa. The post heat treatment at $1000^{\circ}C/30min/AC$ increases the fatigue strength to 420 MPa. By post heat treatment, the interior pore size and the pore volume fraction are reduced and this can increase the fatigue limit.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2005.07a
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pp.369-370
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2005
LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology is one of technologies which can realize SIP (System-In-a-Package). In this paper realization of gas sensor using LTCC technology was described. In the conventional gas sensor structure, wire bonding method is generally used as an interconnection method whereas in the LTCC sensor structure, via was used for the interconnection. As sensing materials, $SnO_2$ was adopted. The effect of frit glass portion on the adhesion of the sensing material to the LTCC substrate and the electrical conductivity of the sensing material were analyzed. AgPd, PdO, Pt was added to the sensing material as an additive for improving the gas sensitivity and electrical conductivity and the effect of the amount of additives in the sensing material on the electrical conductivity was investigated. The effect of the amount of frit glass in the termination on the sensor performance, especially mechanical integrity, was considered and the crack initiation and propagation in the boundary between the sensing material and the termination was studied.
Kim, Jong-Hoon;Yang, Seung-Taek;Suh, Min-Suk;Chung, Qwan-Ho;Hong, Joon-Ki;Byun, Kwang-Yoo
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.13
no.4
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pp.1-7
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2006
A major failure mode for wafer level chip size package (WLCSP) is thermo-mechanical fatigue of solder joints. The mechanical strains and stresses generated by the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between the die and printed circuit board (PCB) are usually the driving force for fatigue crack initiation and propagation to failure. In a WLCSP process peripheral or central bond pads from the die are redistributed into an area away using an insulating polymer layer and a redistribution metal layer, and the insulating polymer layer affects solder joints reliability by absorption of stresses generated by CTE mismatch. In this study, several insulating polymer materials were applied to WLCSP to investigate the effect of insulating material. It was found that the effect of property of insulating material on WLCSP reliability was altered with a solder ball layout of package.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.17
no.2
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pp.145-156
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2021
Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification (UNSM) is a peening technology that generates elastic-plastic deformation on the material surface to which a static load of a air compressor and a dynamic load of ultrasonic vibration energy are applied by striking the material surface with a strike pin. In the UNSM-treated material, the structure of the surface layer is modified into a nano-crystal structure and compressive residual stress occurs. When UNSM is applied to welds in a reactor coolant system where PWSCC can occur, it has the effect of relieving tensile residual stress in the weld and thus suppressing crack initiation and propagation. In order to quantitatively evaluate the compressive residual stress generated by UNSM, many finite element studies have been conducted. In existing studies, single-path UNSM or UNSM in a limited area has been simulated due to excessive computing time and analysis convergence problems. However, it is difficult to accurately calculate the compressive residual stress generated by the actual UNSM under these limited conditions. Therefore, in this study, a minimum finite element peening analysis area that can reliably calculate the compressive residual stress is proposed. To confirm the validity of the proposed analysis area, the compressive residual stress obtained from the experiment are compared with finite element analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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