Effect of elastic/plastic mismatch on the fracture of Si3N4 coating in Si3N4/Si3N4 -BN bilayer was investigated by Hertzian indentation testing. A different amount of mismatch between two layers was induced by different BN addition in the substrate layer, and Hertizian cracks were induced by using WC ball indenter. As a result, as the elastic/plastic mismatch between coating and substrate layer increased, the coating fracture easily occurred. A bending stress induced by different elastic/plastic mismatch was main reason to cause the fracture of coating.
Part I에 이어서 질화규소로 코팅된 질화규소-질화붕소 시스템에 있어서 접촉하중에 의한 코팅층의 파괴에 대한 코팅층의 두께의 영향을 고찰하였다. 코팅층과 기판층간의 elastic/plastic mismatch가 큰 경우 코팅층의 균열생성을 방지하는 어느 임계 두께가 존재한다는 사실을 발견하였으며, mismatch가 감소할수록 이러한 요구 임계두께가 감소하였다. 또한 가해진 하중이 증가할수록 요구 임계두께는 증가하여야 함을 알 수 있었다. 따라서 코팅층의 파괴를 방지하기 위해서는 코팅층과 기판층간의 mismatch와 사용환경(가해지는 하중)을 고려한 적정 임계두께늬 설계가 요구된다.
This study performed a precise dynamic finite element time history elastic-plastic seismic analysis considering the welds, which have been not considered in design stage, on the nuclear components subjected to severe seismic loadings such as beyond-design basis earthquakes for sustainable nuclear power plants. First, the dynamic finite element elastic-plastic seismic analysis was performed for a general design practice that does not take into account the welds of the pressurizer surge line system, one of safety class I components in nuclear power plants, and then the reference values for the accumulated equivalent plastic strain, equivalent plastic strain, and von Mises effective stress were set. Second, the dynamic finite element elastic-plastic seismic analyses were performed for the case of considering only the mechanical strength over-mismatch of the welds as well as for the case of considering both the strength over-mismatch and welding residual strain. Third, the effects of the strength over-mismatch and welding residual strain were analyzed by comparing the finite element analysis results with the reference values. As a result of the comparison, it was found that not considering the strength over-mismatch may lead to conservative assessment results, whereas not considering the welding residual strain may be non-conservative.
The role of elastic/plastic mismatch on the contact crack initiation is investigated for designing desirable surface-coated asymmetric layered composites. Various layered composites such as $Si_3N_4$ ceramics on $Si_3N_4+BN$ composite, soda-lime glass on various substrates with different elastic modulus for the analysis. Spherical indentation is conducted for producing contact cracks from the surface or interface between the coating and the substrate layer. A finite element analysis of the stress fields in the loaded layer composites enables a direct correlation between the damage patterns and the stress distributions. Implications of these conclusions concerning the design of asymmetric layered composites indicate that the elastic modulus mismatch is one of the important parameter for designing layered composite to prevent the initiation of contact cracks.
This paper attempts to quantify the effect of mismatch in creep properties on steady-state stress distributions for a welded branch vessel. A particular geometry for the branch vessel is chosen. The vessel is modeled by only two materials, the base and weld metal. Idealized power law creep laws with the same creep exponents are assumed for base and weld metals. A mismatch factor is introduced, as a function of the creep constant and exponent. Steady-state stress distributions within the weld metal, resulting from threedimensional, elastic-creep finite element (FE) analyses, are then characterized by the mismatch factor. We can find that average stresses in the weld can be characterized by the mis-match factor. And there is an analogy between elastic-creep and elastic-perfectly plastic.
The present study focuses on the effect of geometrical discontinuity, strength mismatch, which can elevate plastic constraint due to heterogeneous plastic straining, and loading rate on the ductile crack initiation using two-parameter criterion. Fracture initiation testing has been conducted under static and dynamic loading using circumferentially notched round-bar specimens. In order to evaluate the stress/strain state in the specimens, especially under dynamic loading, a thermal elastic-plastic dynamic finite element (FE) analysis considering the temperature rise due to plastic deformation has been carried out.
This paper investigates the effects of T-stress and plastic hardening mismatch on the interfacial crack-tip stress field via finite element analyses. Plane strain elastic-plastic crack-tip fields are modeled with both MBL formulation and a full SEC specimen under pure bending. Modified Prandtl slip line fields illustrate the effects of T-stress on crack-tip constraint in homogeneous material. Compressive T-stress substantially reduces the interfacial crack-tip constraint, but increases the J-contribution by lower hardening material, J$\_$L/. For bimaterials with two elastic-plastic materials, increasing plastic hardening mismatch increases both crack-tip stress constraint in the lower hardening material and J$\_$L/. The fracture toughness for bimaterial joints would consequently be much lower than that of lower hardening homogeneous material. The implication of unbalanced J-integral in bimaterials is also discussed.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.354-366
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2020
This work mainly focuses on determination of the fully plastic J-integral solutions for welded center cracked plates subjected to remote tension loading. Detailed three-dimensional elasticeplastic Finite Element Analyses (FEA) were implemented to compute the fully plastic J-integral along the crack front for a wide range of crack geometries, material properties and weld strength mismatch ratios for 900 cases. According to the database generated from FEA, Back-propagation Neural Network (BPNN) model was proposed to predict the values and distributions of fully plastic J-integral along crack front based on the variables used in FEA. The determination coefficient R2 is greater than 0.99, indicating the robustness and goodness of fit of the developed BPNN model. The network model can accurately and efficiently predict the elastic-plastic J-integral for weld centerline crack, which can be used to perform fracture analyses and safety assessment for welded center cracked plates with varying strength mismatch conditions under uniaxial loading.
This paper presents a framework how to estimate crack driving forces in terms of crack-tip opening displacement and J-integral for mismatched dissimilar joints with interface cracks. The mismatch in elastic, thermal, and plastic hardening properties is not considered, but the mismatch in plastic yield strengths is emphasized here. The main outcome of the present work is that the existing methods to estimate crack driving forces for homogeneous materials can be used with slight modification. Such modification includes (i) mismatch- corrected limit load solutions, and (ii) evaluating the contribution of each material in dissimilar joints to the total crack driving force, which depends on the strength mismatch of the dissimilar joints.
It has been well known that ductile fracture of steel is accelerated by triaxiality stresses. The characteristics of ductile crack initiation in steels are evaluate quantitatively using two-parameter criterion based on equivalent plastic strain and stress triaxiality. Recently, the characteristics of critical crack initiation of steels are quantitatively estimated using the two-parameter, that is, equivalent plastic strain and stress triaxiality, criterion. This study is paid to the fundamental clarification of the effect of geometrical heterogeneity and strength mismatching, which can elevate plastic constraint due to heterogeneous plastic straining, and loading rate on critical condition to initiate ductile crack using two-parameter. Then, the crack initiation testing were conducted under static and dynamic loading. To evaluate the stress/strain state in the specimens especially under dynamic loading, thermal elastic-plastic dynamic FE-analysis considering the temperature rise was used. The result showed that the critical global strain to initiate ductile fracture in specimens with strength mismatch under various loading rate cu be estimated based on the local criterion, that is two-parameter criterion obtained on homogeneous specimens under static tension, by mean of FE-analysis taken into account accurately both strength mismatch and dynamic loading effects on stress/strain behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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