In this paper, the fatigue behaviour of typical axisymmetric forward extrusion die is investigated and extrusion process is analyzed by the rigid-plastic finite element method and elasto-plastic finite element method. To approach the crack problem involving crack initiation and propagation in extrusion die, LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics) is introduced and singular element which models stress.strain singularity in the crack tip vincity has been used to obtain an accurate stress intensityu factor values and other results. Form the displacement around the crack tip the stress intensity factor and the effective stress intensity factor at the beginning of the die inlet radius has been calculated. Applying proper fatigue crack propagation criterion such as Paris/Erdogan fatigue law to this data the angle and direction of fatigue crack growth has been simulated and these are compared with some experimental results. Using the computed crack growth rate, fatigue life of the extrusion die has been evaluated.
In the weldments, the crack propagation rate is changed due to the residual stress. The crack propagation rate is high in the region with the residual stress. However it shows the same behavior with the base metal in the region that does not include the residual stress. The fatigue crack growth rate for the material with residual stresses can be predicted more precisely by using the effective stress ratio. The difference between experimental results and prediction results seems to be due to the redistribution of the residual stresses and microstructural change.
Methods for determination of the crack opening stress intensity factor ($K_{op}$) and for estimation of the effective stress intensity factor range ($\Delta{K}_{eff}$) are evaluated for crack growth test data of aluminum alloys. Three methods of determining $K_{op}$, visual measurement, ASTM offset compliance method, and the neural network method proposed by Kang and Song, and three methods of estimating $\Delta{K}_{eff}$, conventional, the 2/PIO and 2/PI methods proposed by Donald and Paris, are compared in a quantitative manner by using evaluation criteria. For all $K_{op}$ determination methods discussed, the 2/PI method of estimating $\Delta{K}_{eff}$ provides good results. The neural network method of determining $K_{op}$ provides good correlation of crack growth data. It is recommended to use 2/PI estimation with the neural $K_{op}$ determination method. The ASTM offset method used in conjunction with 2/PI estimation shows a possibility of successful application. It is desired to improve the ASTM method.
Fatigue crack shape variation by a residual stress during crack growth and life predition are studied. An analytical method is presented to predict the influence of a residual stress due to heattreatment on crack shape variations. Computer simulation results using this me thod are graphically shown that crack growth rate to surface direction are decreased due to compressive residual stress exisiting in surface area. These results are commpared with experimental results. The fatigue life is also predicted by computer simulation of crack aspect ratio variation which is based on the surface crack length increment per unit cycle calculated from a-N diagram. Predited life is about 12 percent lower than experimental life.
본 연구에서는 선적분화 된 체적력항을 갖는 경계요소법을 이용하여, Griffi- th균열에 대한 열응력세기계수를 구하여 Sumi의 결과와 비교 검토하고, 유무한체내의 대칭 입술형및 대칭 익형 커스프균열들(symmetric lip and airfoil cusp cracks)의 열 응력세기계수를 균열묘면이 단열된 경우와 일정 온도로 유지된 경우에 대해 계산하고 자 한다.
To obtain representative fatigue crack growth characteristic curve in residual stress field, fatigue crack growth test was carried out at various stress ratio and fatigue crack growth characteristic curve was represented using crack closure concept. Obtained results are as follows;K(sub)op/K(sub)max was independent of K(sub)max when R was lower than 0.5 and crack closure phenomenon was not observed when R is higher than 0.5. therefore neglecting crack closure behaviour, actual fatigue crack growth rate can be underestimated. Thus, considering crack closure phenomenon, fatigue crack growth characteristics curve of A 106 Gr B Steel weldment can be effectively estimated.
Practical structures are subject not only to tension but also to shear and torsional loading. Even under uniaxial loading, when the load is not perpendicular to the crack plane, mixed mode crack can occur. Hence, it is necessary to evaluate the fatigue behavior under mixed mode loading. In this study, the propagation behavior of the fatigue crack of the STS304 steels under mixed mode loading condition was investigated. The mode I and II stress intensity factors of CTS specimen were calculated using elastic finite element method with experimental results. The fatigue crack propagation under mixed mode was evaluated by the effective stress intensity factor proposed by Tanaka.
In order to examine the effect of anisotropy and stress ratio on fatigue crack propagation rate and opening-closing behavior and also arrest behavior by single tension peak overload, the fatigue tests of constant amplitude atress and single tension peak overload adding to cycle of constant amplitude were carried out in stress ratio of -0.4, -0.2, and 0.4 with materials of T-L and L-T directions in 2024-T3 aluminum alloy plate. Crack opening-closing begavior were measured by the compliance method using COD gage and strain gage. In case of the crack opening-closing behavior was measured by strain gage, the effect of stress ratio is unchangeable. But in the case of COD gage, that is remarkably decreased. Fictitious effective stress intensity factor(U sub(f)) and effective stress intensity factor ratio(U) in L-T direction was higher than those in T-L direction and also threshold arrest overload ratio incrased as stress ratio decreased and that of T-L direction was higher than that in L-T direction.
The use of fracture mechanics has traditionally concentrated on crack growth under an opening mechanism. However, many service failure occur from cracks subjected to mixed mode loadings. Hence, it is necessary to evaluate the fatigue behavior under mixed mode loading. Under mixed mode loading conditions, not only the fatigue crack propagation rate is of importance, but also the crack propagation direction. The mode I and II stress intensity factors of CTS specimen were calculated using elastic finite element method. The propagation behavior of the fatigue crack of the STS304 steeds under mixed mode loading condition was evacuated by using stress intensity factors $K_I$ and $K_II. The MTS criterion and effective stress intensity factor were applied to predict the crack propagation direction and the fatigue crack propagation rate.
In this study, the growth rate of surface cracks (da/dN) during the retardation period was analyzed in terms of effective stress intensity factor range(${\Delta}K_{eff}^*$) obtained by using the proposed effective plastic zone concept. Effective stress intensity factors obtained by using the effective plastic zone concept were smaller than those obtained by using Willenborg analysis. On the growth rate of surface cracks analyzed by ${\Delta}K$, the dependence of overload stress levels appears. On the growth rate by ${\Delta}K_{eff}$ obtained by Willenborg analysis, there is a linear relationship with two different slops between da/dN and ${\Delta}K_{eff}$. However, on the growth rate by ${\Delta}K_{eff}^*$ obtained by the proposed effective plastic zone concept, there is a linear relationship between da/dN and ${\Delta}K_{eff}^*$ that coincides with the results of constant amplitude loading.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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