The purpose of this study is elastic plastic finite element analysis for standard fracture toughness specimens. The principles of elastic-plastic fracture mechanics are shortly summarized and the special requirements for computational tools are derived. Possibilities to model the crack tip singularities are mentioned. The relevant fracture parameters like J-Integral and COD and their correlation are evaluated from elastic plastic finite element calculations of standard fracture toughnes specimens. The size and form of the plastic zone are shown. The comparion between experiment and caculation is discussed as well as the application of the limit load analysis.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.13
no.3
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pp.7-13
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1993
Fracture behavior of pre-cracked compact tension specimens made of AISI 4130 steel was investigated using acoustic emission (AE) and ultrasonic C-scan measurements. While each specimen was loaded up to a certain level, various acoustic emission parameters were recorded together with the crack opening displacement (COD). An elastic-plastic finite element analysis was performed to calculate COD and the damage (plastic) zone size ahead of crack tip. Ultrasonic C-scans, in a pulse-echo, immersion mode, were done for mapping the damage zone size. The agreement between the finite element results and the measured COD was satisfactory. Based on AE results, the test specimens were found to show ductile behavior. The slope of the total ringdown counts vs. COD curve was useful to determine the crack initiation. The preliminary C-scan images showed evidence of changes in the amplitude of ultrasonic signal in the damaged region, and the shape and size of the damage zone matched qualitatively with the finite element results. A further work on the damage zone sizing was also pointed out.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.2
s.173
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pp.472-480
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2000
A macroscopic yield criterion for porous solids with pressure-sensitive matrices modeled by Coulomb's yield criterion was obtained by generalizing Gurson's yield criterion with consideration of the hydrostatic yield stresses for a spherical thick-walled shell and by fitting the finite element results of a voided cube. The macroscopic yield criterion is valid for negative mean normal stresses as well as for positive mean normal stresses. From the yield criterion, a plastic potential function for the porous solids was derived either for plastic normality flow or for plastic non-normality flow of pressure- sensitive matrices. In addition, the elastic relation, an evolution equation of the plastic flow stress of the matrices and an evolution equation of the void volume fraction were presented to complete a set of constitutive relations. The set of constitutive relations was implemented into a finite element code ABAQUS to analyze the material behavior of rubber-toughened epoxies. The cavitation and the deformation behavior were analyzed around a crack tip under three-point bending and around notch tips under four-point bending. In the numerical analyses, the cavitation of rubber particles was considered via a stress-controlled nucleation model. The numerical results indicate that a reasonable cavitation zone can be obtained with void nucleation controlled by the macroscopic mean normal stress, and a plastic zone is smaller around a notch tip under compression than under tension. These numerical results agree well with corresponding experimental results on the cavitation and plastic zones.
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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v.25
no.2
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pp.87-104
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1989
Recently, with the tendency of more lightening, high-strength and high-speed in the marine industries such as marine structures, ships and chemical plants, the use of the aluminium Alloy is rapidly enlarge and there occurs much interest in the study of corrosion fatigue crack characteristics. In this paper, the initiation of surface crack and the propagation characteristics on the base metal and weld zone of 5086-H116 Aluminium Alloy Plate which is one of the Al-Mg serious alloy(A5000serious) used most when building the special vessels, were investigated by the plane bending corrosion fatigue under the environments of marine, air and applying cathodic protection. The effects of various specific resistances on the initiation, propagation behavior of corrosion fatigue crack and corrosion fatigue life in the base metal and heat affected zone were examined and its corrosion sensitivity was quantitatively obtained. The effects of corrosion on the crack depth in relation to the uniform surface crack length were also investigated. Also, the structural, mechanical and electro-chemical characteristics of the metal at the weld zone were inspected to verify the reasons of crack propagation behavior in the corrosion fatigue fracture. In addition, the effect of cathodic protection in the fracture surface of weld zone was examined fractographically by Scanning Electron Microscope(S.E.M.). The main results obtained are as follows; (1) The initial corrosion fatigue crack sensitibity under specific resistance of 25Ω.cm% show 2.22 in the base metal and 19.6 in the HEZ, and the sensitivity decreases as specific resistance increases (2) By removing reinforcement of weldment, the initiation and propagation of corrosion crack in the HAZ are delayed, and corrosion fatigue life increases. (3) As specific resistance decreases, the sensitivity difference of corrosion fatigue life in the base metal and HAZ is more susceptible than that of intial corrosion fatigue crack. (4) Experimental constant, m(Paris' rule) in the marine environment is in the range of about 3.69 to 4.26, and as specific resistance increases, thje magnitude of experimental constant, also increases and the effect by corrosion decreases. (5) Comparing surface crack length with crack depth, the crack depth toward the thickness of specimen in air is more deeply propagated than that in corrosion environment. (6) The propagation particulars of corrosion fatigue crack for HAZ under initial stress intensity factor range of $\Delta$k sub(li) =27.2kgf.mm super(-3/2) and stress ratio of R=0 shows the retardative phenomenon of crack propagation by the plastic deformation at crack tip. (7) Number of stress cycles to corrosion fatigue crack initiation of the base metal and the welding heat affected zone are delayed by the cathodic protection under the natural sea water. The cathodic protection effect for corrosion fatigue crack initiation is eminent when the protection potential is -1100 mV(SCE). (8) When the protection potential E=-1100 mV(SCE), the corrosion fatigue crack propagation of welding heat affected zone is more rapid than that of the case without protection, because of the microfissure caused by welding heat cycle.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.4
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pp.670-679
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1989
The constant amplitude loading and 100% single overloading fatigue studies of domestic high tensile 7075-T73 aluminum alloy were performed to exmine the effect of specimen thickness and its mechanisms on fatigue crack growth behavior. The stage II fatigue crack growth rates tend to increase with decreasing specimen thickness under constant amplitude loading condition and this has relation with stress intensity factors and plastic zone size. The amount of retardation by an overload increased with decreasing specimen thickness when the crack depth and baseline stress intensity factors were constant. The crack depth is one of major factors which affect retardation phenomena by an overload and the amount of retardation increase with decreasing the crack depth. Its main mechanisms are crack closure and decreasing of K at the crack tip by branching and deflection of crack. And they are affected by near surface more severely than central portion of specimen.
Effects of strain hardening exponents on the retardation behavior of fatigue crack propagation are experimentally investigated. The retardation of fatigue crack propagation seems to be induced by the crack closure at crack tip. The phenomenon of crack closure becomes remarkable with the increment of strain hardening exponent and magnitude of percent peak load. The ratio of crack growth increment(a$\_$d//w$\_$d/) is influenced by a single overloading (a$\_$d/) and estimated plastic zone size (W$\_$d/=2r$\_$y/) is increased according with the increasing of strain ha.dening exponents. The number of retarded crack growth cycles were (N$\_$d/) decreased as the baseline stress intensity factor .ange( K$\_$b/) was increased. Within the limitation of these experimental results obtained under the single overload, an empirical relation between crack retardation ratio (Nd/N*), strain hardening exponent (n) and percent peak load (%PL) has been proposed as; Nd/N*= exp [PL $.$ PL$.$A(n)+B(n) ] where, A(n)=${\alpha}$n+${\beta}$, B(n)=${\gamma}$n+$\delta$, PL=%PL/100 and ${\alpha}$=0.78, ${\beta}$=0.54, ${\gamma}$=0.58 and $\delta$=-0.01, It is interesting to note that all these constants are identical for materials such as aluminum(A3203), steel(S4SC), steel(SS41) and stainless steel(SUS316) used in this experimental study.
The purpose of this study is to show how to eliminate the noises and to obtain the data related with the relationship between AE signal characteristics and mechanical behaviors for the pressure vessel steel. Various kinds of noises are introduced into the AE data in the course of experiments. Accordingly, real AE data have to be obtained after tests. AE test was carried out under four point bending load. Among AE signals, counts and signal strength are used to find out the differences of AE characteristics between the basemetal and weldment. After tests, this paper shows the procedures of filtering the noises against basemetal of the pressure vessel steel to obtain the real data around crack tip. Relationships between plastic zone size and cumulative AE counts are shown also. AE signals were absent within an elastic region, regardless of the specimens. Most of AE signals are produced in the process of plastic deformation. The deformation and fracture modes of basemetal and weldment are quiet different.
Hot straining embrittlement is one of the most important factors which cause the brittle fracture initiation even in the service temperature in the case of mild steel and high tensile steel. Therefore it is necessary to analyze thoroughly the hot straining embrittlement occurred in weld HAZ of the structural steels. The behaviors of plastic deformation and fracture toughness at the notch tip of the hot strained weld HAZ in structural steels (SB 41 KS, SA 588-Grade A ASTM) have been studied by the recrystallization technique and crack opening displacement (COD) test method. The obtained results are summarized as follows; 1. The plastic zone is formed at the notch tip of weld HAZ owing to nomotonic and cyclic hot stran, and the maximum plastic strain increases with the accumulated hot straining amounts. 2. The distribution of the effective strain at the plastic deformed zone in HAZ can be determined as follows; (.epsilon. over bar $_{p}$ )$_{\chi}$=.epsilon. over bar $_{cr}$ ( $R_{/chi}$/.chi.)$^{m}$ where, .epsilon. over bar $_{cr}$ : (SB 41; .epsilon. over bar $_{cr}$ = 0.2, SA 588; .epsilon. over bar $_{cr}$ = 0.1) 3. The embrittlement of weld HAZ in SB 41 and SA 588 is influenced by hot strain, and the degree of embrittlement becomes deeper with hot straining amounts. 4. The embrittlement of weld HAZ of SB 41 is not influenced by the hot straining amounts until .epsilon. over bar $_{max}$ = 0.36, $R_{\chi}$ = 0.065mm, however the embrittlement of structure in SA 588 is considerably influenced even by a small quantity of the hot straining amounts.s.
This study investigates the appropriate range of reverse bending load for the CTOD test of thick weld by observing improvement of pre-crack shape and determination of the limit applicable load. In order to do it, the effect of the amount of the reverse bending load on the maximum deviation of the pre-crack length was investigated by the extensive tests, and the variation of plastic zone size in way of the crack tip under reverse bending load were evaluated by FEA. With the results obtained by the experiments and FEA, the proper range of reverse bending load was suggested. The effectiveness of the reverse bending method was verified by examining the pre-crack straightness after CTOD tests of thick weld specimens with various thickness and strength.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2002.05a
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pp.117-124
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2002
The lightness of components required in automobile and machinery industry is requiring high strength of components. In particular, manufacturing process and new materials development for solving the fatigue fracture problem attendant upon high strength of suspension of automobile are actively advanced. In this paper, the effect of compressive residual stress of spring steel(JISG SUP-9) by shot-peening on fatigue crack growth characteristics in high temperatures($100^{\circ}C,\;150^{\circ}C,\;180^{\circ}C$) was investigated with considering fracture mechanics. So, we can obtain followings. (1) Compressive residual stress is decreased in high temperature, that is, with increasing temperature. (2) The effect of compressive residual stress on fatigue crack growth behavior in high temperature is increased below ${\Delta}K=17{\sim}19MPa\sqrt{m}$. The fatigue crack growth rate is increased with increasing temperature. The fatigue life is decreased with increasing temperature. (3) The dependence of temperature and compressive residual stress on the parameters C and m in Paris' law formed the formulas such as equations (3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10). (4) It was investigated by SEM that the constraint of compress residual stress for plastic zone of fatigue crack tip was decreased in high temperature as compared with room temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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