Evaluation of Mode II Delamination Area by Non-destructive Techniques: Accuracy and Influence on Fracture Toughness Calculation

It is well known that thermoplastic composite is vulnerable to impact fracture. Submicron glass fiber (sGF) was used to modify the matrix of chopped tape carbon fiber reinforced polypropylene composite. The impact resistance improved 20% and 7.4% coressponding to the dimeter sGF of 0.28 and 0.69 µm used in modified-composite. To shed light upon the mechanism of this improvement, the internal damage statement of post-impact specimens was observed by the CT scanner. The results pointed out that the increase of the impact resistance was due to the enlargement of delamination area under impact load. The micro droplet test and end notch flexure test suggest that the decrease of Mode II fracture toughness in modified-composite comes from narrowing the difference between the interfacial shear strength (IFSS) and the bending strength of matrix thanks to significant improving of IFSS with the addition of sGF while the flexural strength remains the unchanged. Consequently, the failure mode changed from debonding fiber/matrix in unmodified composite into brittle matrix failure in modified composite, resulting in the decrease of the Mode II interlaminar fracture toughness and the enlargement of delamination area. The stress transfer test also indicates that the modified composites is prone to the brittle matrix failure.

Download Full-text

Experimental investigation of the effect of defects, non-detectable by means of conventional non destructive techniques, on the mode I fracture toughness of adhesively bonded composite joints

10.12681/eadd/41019 ◽

2015 ◽

Author(s):

Διονύσιος Μαρκάτος

Keyword(s):

Fracture Toughness ◽

Experimental Investigation ◽

Mode I ◽

Composite Joints ◽

Adhesively Bonded ◽

Mode I Fracture ◽

Mode I Fracture Toughness ◽

Bonded Composite ◽

Non Destructive ◽

Non Destructive Techniques

Μέχρι σήμερα, η συναρμολόγηση κύριων αεροπορικών δομών από σύνθετα υλικά γίνεται μέσω μηχανικών συνδέσεων. Η συγκεκριμένη κατασκευαστική μεθοδολογία οδηγεί μεν σε ασφαλείς συνδέσεις, οδηγεί όμως συγχρόνως και στην αύξηση του βάρους της κατασκευής, που προκύπτει από την υπερδιαστασιολόγηση των συνδεόμενων μερών και τη χρήση μεγάλου αριθμού ήλων, καθώς και σε συγκεντρώσεις τάσεων στις οπές, κτλ. Μια ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη εναλλακτική μέθοδος για την σύνδεση αεροπορικών δομών είναι η σύνδεση με κόλλα. Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη της τεχνολογίας συνδέσεων σύνθετων υλικών με κόλλες αποτελεί ένα τομέα στην αεροναυπηγική όπου διεξάγεται εκτεταμένη έρευνα. Στα πλεονεκτήματα των συνδέσεων με κόλλα έναντι των μηχανικών συνδέσεων περιλαμβάνονται η εξοικονόμηση βάρους και κόστους λόγω της αποφυγής της υπερδιαστασιολόγησης και η πιο ομοιόμορφη κατανομή τάσεων κατά μήκος της σύνδεσης. Παρ’όλα αυτά, η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας περιορίζεται στην σύνδεση δευτερευουσών αεροπορικών δομών όπου πιθανή αστοχία της σύνδεσης δεν θέτει σε κίνδυνο την δομική ακεραιότητα της αεροπορικής δομής και κατ’επέκταση του αεροσκάφους. Οι λόγοι της περιορισμένης χρήσης συνδέσεων με κόλλα σε κύριες αεροπορικές δομές είναι πολλοί και περιλαμβάνουν την μειωμένη αντοχή των συνδέσεων τέτοιου τύπου και την απαίτηση επανασχεδιασμού ώστε το φορτίο ανάμεσα στα συνδεόμενα μέρη να μεταφέρεται με διατμητικές δυνάμεις, την εξάρτηση της διεπιφανειακής αντοχής από την κατάσταση (φυσικοχημικές ιδιότητες) της επιφάνειας του σύνθετου υλικού πριν την σύνδεση (π.χ. λόγω έκθεσης του σύνθετου υλικού σε επιθετικό για το υλικό περιβάλλον), την ανεπάρκεια των τεχνικών μη καταστροφικού ελέγχου (ΜΚΕ) να ανιχνεύσουν ορισμένους τύπους ατελειών που παρατηρούνται στις συνδέσεις και οδηγούν σε μειωμένες μηχανικές ιδιότητες, κτλ. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επίδραση μιας σειράς παραμέτρων οι οποίες υποβαθμίζουν την ποιότητα της σύνδεσης δομικών μερών του αεροσκάφους, οδηγώντας πολλές φορές σε ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από τις συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ. Οι παράμετροι αυτές είναι: προϋπάρχουσα υγρασία στο σύνθετο υλικό, αποκολλητική ουσία, προϋπάρχον αεροναυπηγικό λάδι, θερμική υποβάθμιση του σύνθετου υλικού πριν την κόλληση και θερμοκρασία πολυμερισμού. Η δημιουργία ατελειών από τις παραπάνω παραμέτρους μπορεί να προκύψει λόγω προσβολής της επιφάνειας κατά την κατασκευή των δομικών μερών, κατά την σύνδεσή τους σε μια μεγαλύτερη δομή, κατά την λειτουργία της δομής αυτής ή κατά την επισκευή της. Ας σημειωθεί ότι μέχρι τώρα δεν έχει αναγνωριστεί το σύνολο των παραμέτρων αυτών, ενώ και οι συνέπειες των παραμέτρων που έχουν αναγνωριστεί δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς; επιπρόσθετα, οι σχετικές μελέτες δεν είναι προσανατολισμένες σε αεροναυπηγικές εφαρμογές. Ως συμβολή για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος, ταυτοποιήθηκε και ταξινομήθηκε μια σειρά παραμέτρων που δημιουργούν βλάβες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ ενώ στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε συστηματική μελέτη και ποσοτικοποίηση της επίδρασής της κάθε μίας από τις παραμέτρους αυτές στην μηχανική συμπεριφορά της σύνδεσης, ιδιαίτερα κάτω από συνθήκες που αφορούν σε αεροναυπηγικές εφαρμογές. Αρχικά έγινε ποσοτικοποίηση των ατελειών μέσω αναλυτικών εργαστηριακών μεθόδων (XRF, IR, XPS). Ακολούθησε μη καταστροφικός έλεγχος των συνδέσεων μέσω υπερήχων (C-scan) και ακτίνων Χ ο οποίος επιβεβαίωσε ότι οι παράμετροι που εξετάστηκαν οδηγούν σε ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ. Η αντοχή των συνδέσεων μετρήθηκε μέσω πειραμάτων δυσθραυστότητας τύπου Ι (mode I) και ακολούθησε στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων με τη μέθοδο ANOVA προκειμένου να ανιχνευθούν οι πιθανές διαφορές μεταξύ των διαφορετικών ποσοτικοποιημένων ατελειών για κάθε μία παράμετρο που εξετάστηκε. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή βρέθηκαν να υποβαθμίζουν γενικά την αντοχή των συνδέσεων, κάτι το οποίο επιβεβαιώθηκε και από τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας με τη μέθοδο ANOVA. Εν συνέχεια, έγινε αναγνώριση του τύπου αστοχίας που προκαλεί κάθε μία παράμετρος και περιγραφή των φυσικών μηχανισμών που οδήγησαν στην υποβάθμιση της ποιότητας της σύνδεσης. Επιπρόσθετα, έγινε μια προσπάθεια συσχέτισης των πειραματικών αποτελεσμάτων με αποτελέσματα προηγμένων/υβριδικών τεχνικών ΜΚΕ οι οποίες είναι προσαρμοσμένες στην ανίχνευση βλαβών μη ανιχνεύσιμων με συμβατικές μη καταστροφικές τεχνικές, όπως αυτές που προκαλούν οι παράμετροι που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή; τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτή την προσπάθεια είναι αρκετά ενθαρρυντικά. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση των παραμέτρων που μελετήθηκαν σε συνδυασμό με ένα αντιπροσωπευτικό περιβάλλον υγρασίας και θερμοκρασίας που αφορά πραγματικές συνθήκες λειτουργίας αεροναυπηγικών δομών. Το συγκεκριμένο αντιπροσωπευτικό περιβάλλον βρέθηκε να οδηγεί σε αύξηση της αντοχής των συνδέσεων παρά σε υποβάθμισή της.Η κύρια συμβολή και πρωτοτυπία της διατριβής εντοπίζεται στην ταυτοποίηση μιας σειράς παραγόντων που δημιουργούν ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ και οι οποίοι οδηγούν σε υποβάθμιση της αντοχής των συνδέσεων με κόλλα, καθώς και στον προσδιορισμό της επίδρασης των παραπάνω ατελειών στην δυσθραυστότητα των συνδέσεων.Επιμέρους πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής κρίνονται τα ακόλουθα: Ταξινόμηση των παραμέτρων (που αφορούν είτε την παραγωγή και την σύνδεση δομικών στοιχείων είτε την επισκευή είτε τις συνθήκες λειτουργίας των συνδέσεων) οι οποίες δημιουργούν ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ, καθώς και συστηματική μελέτη της επίδρασής τους στην δυσθραυστότητα τύπου Ι της σύνδεσης, ιδιαίτερα για συνθήκες οι οποίες είναι ρεαλιστικές για αεροναυπηγικές δομές.Συμβολή στην κατανόηση και περιγραφή των φυσικών μηχανισμών που οδηγούν στην υποβάθμιση και αστοχία των συνδέσεων με κόλλα λόγω της ύπαρξης των παραπάνω ατελειών.Διαπίστωση της μη επάρκειας των υπαρχουσών προδιαγραφών για τον έλεγχο της δυσθραυστότητας συνδέσεων αεροναυπηγικών δομών με κόλλα.

Download Full-text

Environmental effects on mode II fracture toughness of unidirectional E-glass/vinyl ester laminated composites

Science and Engineering of Composite Materials ◽

10.1515/secm-2021-0028 ◽

2021 ◽

Vol 28 (1) ◽

pp. 382-393

Author(s):

Mazaher Salamt-Talab ◽

Fatemeh Delzendehrooy ◽

Alireza Akhavan-Safar ◽

Mahdi Safari ◽

Hossein Bahrami-Manesh ◽

...

Keyword(s):

Fracture Toughness ◽

Sulfuric Acid ◽

Vinyl Ester ◽

Cohesive Zone Model ◽

Flexural Modulus ◽

Mode Ii ◽

Zone Model ◽

Sharp Drop ◽

Mode Ii Fracture ◽

Mode Ii Fracture Toughness

Abstract In this article, mode II fracture toughness ( G IIc {G}_{\text{IIc}} ) of unidirectional E-glass/vinyl ester composites subjected to sulfuric acid aging is studied at two different temperatures (25 and 90°C). Specimens were manufactured using the hand lay-up method with the [ 0 ] 20 {{[}0]}_{20} stacking sequence. To study the effects of environmental conditions, samples were exposed to 30 wt% sulfuric acid at room temperature (25°C) for 0, 1, 2, 4, and 8 weeks. Some samples were also placed in the same solution but at 90°C and for 3, 6, 9, and 12 days to determine the interlaminar fracture toughness at different aging conditions. Fracture tests were conducted using end notched flexure (ENF) specimens according to ASTM D7905. The results obtained at 25°C showed that mode II fracture toughness increases for the first 2 weeks of aging and then it decreases for the last 8 weeks. It was also found that the flexural modulus changes with the same trend. Based on the results of the specimens aged at 90°C, a sharp drop in fracture toughness and flexural modulus with a significant decrease in maximum load have been observed due to the aging. Finite element simulations were performed using the cohesive zone model (CZM) to predict the global response of the tested beams.

Download Full-text

Effects of Dielectric Properties and Microstructures on Microwave-Vacuum Drying of Mushroom (Agaricus bisporus) Caps and Stipes Evaluated by Non-destructive Techniques

Food Chemistry ◽

10.1016/j.foodchem.2021.130698 ◽

2021 ◽

pp. 130698

Author(s):

Xiaohui Lin ◽

James Lyng ◽

Colm O'Donnell ◽

Da-Wen Sun

Keyword(s):

Dielectric Properties ◽

Agaricus Bisporus ◽

Vacuum Drying ◽

Microwave Vacuum Drying ◽

Non Destructive ◽

Non Destructive Techniques

Download Full-text

Non-destructive techniques for the detection of sigma phase in duplex stainless steel: A comprehensive review

Engineering Failure Analysis ◽

10.1016/j.engfailanal.2021.105227 ◽

2021 ◽

Vol 122 ◽

pp. 105227

Author(s):

M.V. Biezma ◽

U. Martin ◽

P. Linhardt ◽

J. Ress ◽

C. Rodríguez ◽

...

Keyword(s):

Stainless Steel ◽

Duplex Stainless Steel ◽

Sigma Phase ◽

Comprehensive Review ◽

Non Destructive ◽

Non Destructive Techniques

Download Full-text

Displacement Rate Effects on the Mode II Shear Delamination Behavior of Carbon Fiber/Epoxy Composites

Polymers ◽

10.3390/polym13111881 ◽

2021 ◽

Vol 13 (11) ◽

pp. 1881

Author(s):

Kean Ong Low ◽

Mahzan Johar ◽

Haris Ahmad Israr ◽

Khong Wui Gan ◽

Seyed Saeid Rahimian Koloor ◽

...

Keyword(s):

Fracture Toughness ◽

Peak Load ◽

Epoxy Composites ◽

Displacement Rate ◽

Interface Debonding ◽

Mode Ii ◽

Scanning Electron Micrographs ◽

Unstable Crack ◽

Mode Ii Fracture ◽

Mode Ii Fracture Toughness

This paper studies the influence of displacement rate on mode II delamination of unidirectional carbon/epoxy composites. End-notched flexure test is performed at displacement rates of 1, 10, 100 and 500 mm/min. Experimental results reveal that the mode II fracture toughness GIIC increases with the displacement, with a maximum increment of 45% at 100 mm/min. In addition, scanning electron micrographs depict that fiber/matrix interface debonding is the major damage mechanism at 1 mm/min. At higher speeds, significant matrix-dominated shear cusps are observed contributing to higher GIIC. Besides, it is demonstrated that the proposed rate-dependent model is able to fit the experimental data from the current study and the open literature generally well. The mode II fracture toughness measured from the experiment or deduced from the proposed model can be used in the cohesive element model to predict failure. Good agreement is found between the experimental and numerical results, with a maximum difference of 10%. The numerical analyses indicate crack jump occurs suddenly after the peak load is attained, which leads to the unstable crack propagation seen in the experiment.

Download Full-text