In this study, interaction of several interface cracks located between a functionally graded material (FGM) layer and an elastic layer under anti-plane deformation based on the distributed dislocation technique (DDT) is analyzed. The variation of the shear modulus of the functionally graded coating is modeled by an exponential and linear function along the thickness of the layer. The complex Fourier transform is applied to governing equation to derive a system of singular integral equations with Cauchy type kernel. These equations are solved by a numerical method to obtain the stress intensity factors (SIFs) at the crack tips. The effects of non-homogeneity parameters for exponentially and linearly form of shear modulus, the thickness of the layers and the length of crack on the SIFs for several interface cracks are investigated. The results reveal that the magnitude of SIFs decrease with increasing of FG parameter and thickness of FGM layer. The values of SIFs for FGM layer with exponential form is less than the linear form.
Bonded dissimilar materials are being increasingly used in automobiles, aircraft, rolling stocks, electronic devices and engineering structures. Bonded dissimilar materials have several material advantages over homogeneous materials such as high strength, high reliability, light weight and vibration reduction. Due to their increased use it is necessary to understand how these materials behave under stress conditions. One important area is the analysis of the stress intensity factors for interface cracks emanating from circular holes in bonded dissimilar materials. In this study, the bonded scarf joint is selected for analysis using a model which has comprehensive mixed-mode components. The stress intensity factors were determined by using the boundary element method (BEM) on the interface cracks. Variations of scarf angles and crack lengths emanating from a centered circular hole and an edged semicircular hole in the Al/Epoxy bonded scarf joints of dissimilar materials are computed. From these results, the stress intensity factor calculations are verified. In addition, the relationship between scarf angle variation and the effect by crack length and holes are discussed.
The analytical solution of two functionally graded layers with Volterra type screw dislocation is investigated under anti-plane shear impact loading. The energy dissipation of FGM layers is modeled by viscous damping and the properties of the materials are assumed to change exponentially along the thickness of the layers. In this study, the rate of gradual change ofshear moduli, mass density and damping constant are assumed to be same. At first, the stress fields in the interface of the FGM layers are derived by using a single dislocation. Then, by determining a distributed dislocation density on the crack surface and by using the Fourier and Laplace integral transforms, the problem are reduce to a system ofsingular integral equations with simple Cauchy kernel. The dynamic stress intensity factors are determined by numerical Laplace inversion and the distributed dislocation technique. Finally, various examples are provided to investigate the effects of the geometrical parameters, material properties, viscous damping and cracks configuration on the dynamic fracture behavior of the interacting cracks.
Yeong Seong Eom;Kyung Tae Kim;Dong Won Kim;Ji Hun Yu;Chul Yong Sim;Seung Jun An;Yong-Ha Park;Injoon Son
Archives of Metallurgy and Materials
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제66권4호
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pp.1049-1054
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2021
In this study, stainless steel 316L and Inconel 625 alloy powders were additively manufactured by using directed energy deposition process. And heat treatment effect on hardness and microstructures of the bonded stainless steel 316L/Inconel 625 sample was investigated. The microstructures shows there are no secondary phases and big inclusions near interfacial region between stainless steel 316L and Inconel 625 except several small cracks. The results of TEM and Vickers Hardness show the interfacial area have a few tens of micrometers in thickness. Interestingly, as the heat treatment temperature increases, the cracks in the stainless steel region does not change in morphology while both hardness values of stainless steel 316L and Inconel 625 decrease. These results can be used for designing pipes and valves with surface treatment of Inconel material based on stainless steel 316L material using the directed energy deposition.
For BEM analyses of the impact problems of dissimilar materials, the connected multi-region method using perfect bonded conditions on the interface boundaries was added to two-dimensional Laplace transformed-domain BEM program for a single region analysis. It was confirmed that the BEM results of impact problems of a single-region and multi-regions for a homogeneous isotropic material are agreed well. The two-dimensional Laplace transformed-domain BEM program combined with connected multi-region method was applied to analyse several impact problems of dissimilar materials. Also the feasibility of BEM impact analyses was investigated for dissimilar materials by the analysis of the BEM results for impact problems of dissimilar materials in terms of physical aspects. As for an application, the two-dimensional Laplace transformed BEM concerning impact problems of cracks at the interface of dissimilar materials and the determinating process of the dynamic stress intensity factors by extrapolation method are presented in this paper.
The directed energy deposition (DED) process of metal 3D printing technologies has been treated as an effective method for welding, repairing, and even 3-dimensional building of machinery parts. In this study, stainless steel 316L (STS316L) and Inconel 625 (IN625) alloy powders are additively manufactured using the DED process, and the microstructure of the fabricated STS316L/IN625 sample is investigated. In particular, there are no secondary phases in the interface between STS316L and the IN625 alloy. The EDS and Vickers hardness results clearly show compositionally and mechanically transient layers a few tens of micrometers in thickness. Interestingly, several cracks are only observed in the STS 316L rather than in the IN625 alloy near the interface. In addition, small-sized voids 200-400 nm in diameter that look like trapped pores are present in both materials. The cracks present near the interface are formed by tensile stress in STS316L caused by the difference in the CTE (coefficient of thermal expansion) between the two materials during the DED process. These results can provide fundamental information for the fabrication of machinery parts that require joining of two materials, such as valves.
Haeri, Hadi;Sarfarazi, Vahab;Zhu, Zheming;Marji, Mohammad Fatehi;Masoumi, Alireza
Smart Structures and Systems
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제23권1호
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pp.81-90
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2019
The shear behavior of soil-concrete interface is mainly affected by the surface roughness of the two contact surfaces. The present research emphasizes on investigating the effect of roughness of soil-concrete interface on the interface shear behavior in two-layered laboratory testing samples. In these specially prepared samples, clay silt layer with density of $2027kg/m^3$ was selected to be in contact a concrete layer for simplifying the laboratory testing. The particle size testing and direct shear tests are performed to determine the appropriate particles sizes and their shear strength properties such as cohesion and friction angle. Then, the surface undulations in form of teeth are provided on the surfaces of both concrete and soil layers in different testing carried out on these mixed specimens. The soil-concrete samples are prepared in form of cubes of 10*10*30 cm. in dimension. The undulations (inter-surface roughness) are provided in form of one tooth or two teeth having angles $15^{\circ}$ and $30^{\circ}$, respectively. Several direct shear tests were carried out under four different normal loads of 80, 150, 300 and 500 KPa with a constant displacement rate of 0.02 mm/min. These testing results show that the shear failure mechanism is affected by the tooth number, the roughness angle and the applied normal stress on the sample. The teeth are sheared from the base under low normal load while the oblique cracks may lead to a failure under a higher normal load. As the number of teeth increase the shear strength of the sample also increases. When the tooth roughness angle increases a wider portion of the tooth base will be failed which means the shear strength of the sample is increased.
동전모양의 균열이 이상복합 실린더 계면에 존재하는 혼합모드 조건(I, II)에 대해 유한요소법을 사용하여 에너지해방율을 구하였다. 두재료의 탄성비와 노치율을 변화시켜 상업용 FEM 프로그램인 ABAQUS로부터 얻은 결과를 가상 균열법과 J 적분법에 적용하였으며 에너지해방율을 구하여 무차원함수로 표현하였다. 모드 II의 무차원 에너지해방율($\sqrt{G_{II}E^*}/\sqrt[p]{\pi a}$)은 균열길이와 탄성비가 증가되면서 그 값이 증가됨을 알수 있었다. 반면, 모드 I의 무차원 에너지해방율($\sqrt{G_{I}E^*}/\sqrt[p]{\pi a}$)은 탄성비가 증가하면서 그 값이 감소하며, 두재료의 탄성비가 3 이상인 경우에 균열길이가 증가되면서 무차원 에너지해방율이 감소하다가 다시 증가하게 나타났다. 또한 수치해석된 결과치를 무한판 실린더의 응력확대계수에 대한 정해와 비교하여 본 해석의 신뢰성을 확보하였다.
The light weight composite materials have been replacing in high performance structures. The object of this study is to examine the effects of the initial crack location about a delamination in a PVC foam cored sandwich composite that is used for the strength improvement of structures. The initial crack location and fiber laminates thickness were changed with several types. The MMB specimen was used for evaluating the fracture toughness and crack behaviors. The material used in the experiment is a commercial twill carbon prepreg in CFRP material and Airex in PVC foam core. Sandwich laminate composites are composed by PVC foam core layer between CFRP face sheets. The face sheets were fabricated as 2 types of 5 and 8 plies. The initial cracks were located in a PVC form core and the interface of upper CFRP sheet. From the results, the crack initiation was affected with the location of the initial crack inserted in the PVC foam core. Among them, the initial crack at 1/3 of the upper part of the PVC foam core was the most rapid progression. And the critical energy release rate was $0.40kJ/m^2$, which is the lowest value when the initial crack was inserted into the interface between a PVC foam core and CFRP laminated with 5 plies. Meanwhile, the highest value of $1.27kJ/m^2$ was obtained when the initial crack was located at the center line in case of the 8 plies.
층간분리는 복합재 적층판에서 발생하는 특수한 파손 모드이다. 유한요소해석기법을 활용하여 균열 성장방향이 확실히 예측되는 일방향 복합재 적층판의 층간분리 거동과 관련된 많은 수치적 연구가 수행되었다. 반면에 여러 방향으로 적층된 복합재 적층판의 층간분리는 층간 균열 뿐 만 아니라 기지재료 파손 및 섬유 브릿징을 수반하는 층내 균열이 발생한다. 또한 층간 균열과 층내 균열이 불규칙적인 비율로 나타나고 층내 균열도 임의의 각도로 성장한다. 이러한 직교적층 복합재 적층판의 균열 성장 방향에 대한 예측은 확정론적 해석 방법 보다는 확률론적 해석 방법이 유리하다. 본 논문에서는 직교적층 탄소섬유/에폭시 복합재 적층판에 모드 I 하중이 가해질 때 균열 경로를 분석하여 향후 확률론적 해석의 기반 자료로 사용할 수 있는 확률 데이터를 수집하고 분석하였다. 직교이방성 재료의 균열선단에서의 응력장 해석결과를 활용하여 균열 성장 방향을 분석할 수 있는 두 가지 기준을 제안하였다. 제안한 방법을 이용하여 직교적층 탄소섬유/에폭시 복합재 적층판의 균열 성장 방향을 정성적, 정량적으로 분석하고 실험값과 비교분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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