scholarly journals The Influence of the Grain Structure Size on Microstructurally Short Cracks

2009 ◽  
Vol 131 (4) ◽  
Author(s):  
Igor Simonovski ◽  
Leon Cizelj
Keyword(s):  
Surface Crack ◽  
Voronoi Tessellation ◽  
Constitutive Models ◽  
Crack Tip ◽  
Anisotropic Elasticity ◽  
Grain Structure ◽  
Crack Tip Opening Displacement ◽  
Opening Displacement ◽  
Short Cracks ◽  
Crack Tip Opening

The dominant processes in the initialization and propagation of microstructurally short cracks include microstructural features such as crystallographic orientations of grains, grain boundaries, inclusions, voids, material phases, etc. The influence of the microstructural features is expected to vanish with distance from the crack tip. Also, the influence of the nearby microstructural features is expected to be smaller for a long than for a small crack. Finally, a crack of sufficient length can be modeled using classical fracture mechanic methods. In this paper the approach to estimate the crack length with vanishing influence from the microstructural feature is proposed. To achieve this, a model containing a large number of randomly sized, shaped, and oriented grains is employed. The random grain structure is modeled using a Voronoi tessellation. A series of cracks of lengths from about 1 to 7 grain lengths is inserted into the model, extending from a grain at the surface toward the interior of the model. The crack tip opening displacements are estimated and statistically analyzed for a series of random crystallographic orientation sets assigned to the grains adjacent to the crack. Anisotropic elasticity and crystal plasticity constitutive models are employed at the grain size scale. It is shown that the standard deviation of the crack tip opening displacement decreases from about 20% for a short surface crack embedded within a single grain to about 7% for a surface crack extending through seven grains. From the engineering point of view, a crack extending through less than about ten grain sizes is therefore considered to strongly depend on the neighboring microstructural features.

The Vanishing Influence of Microstructure on Growing Short Cracks

2009 ◽  
Author(s):  
I. Simonovski ◽  
L. Cizelj
Keyword(s):  
Crack Length ◽  
Voronoi Tessellation ◽  
Constitutive Models ◽  
Crack Tip ◽  
Anisotropic Elasticity ◽  
Point Of View ◽  
Grain Structure ◽  
Short Cracks ◽  
Grain Sizes ◽  
Aisi 316 Stainless Steel

Microstructural features play a prominent role in the initialization and propagation of microstructurally short cracks. These features include crystallographic orientations of grains, grain boundaries, inclusions, voids, material phases, etc. Their influence is expected to vanish both with increased distance from the crack tip as well as with increased crack length. Current engineering fracture mechanics techniques do not account for these features and can therefore only be applied to sufficiently long cracks. From the engineering point of view it is therefore quite useful to have an estimate of this length. In this paper we build upon the authors’ previous work to estimate decreasing influence from the surrounding microstructural features with increasing crack length. To achieve this, a model containing a large number of randomly sized, shaped and oriented grains is employed. The grain structure is modeled using a Voronoi tessellation. A series of cracks with lengths from one to several grain lengths are inserted into the model, extending from a grain at the surface towards the interior of the model. The crack tip opening displacements (CTOD) are estimated and statistically analyzed for a series of random crystallographic orientation sets assigned to the grains adjacent to the crack. Anisotropic elasticity and crystal plasticity constitutive models are employed at the grain size scale. A rapid decrease of the CTOD scatter is observed with increasing crack length showing a clear tendency to stabilize at standard deviation of about 5% at the effective crack length of about 6 average grain sizes (0.3 mm in AISI 316 stainless steel. A crack with the length exceeding about 10 average grain sizes can be safely taken as a macroscopic crack.

Modelling the Behavior of Short Fatigue Cracks under Variable Amplitude Loading Using FEM

2007 ◽  
Vol 353-358 ◽  
pp. 985-988
Author(s):  
Yan Hai Xu ◽  
Yong Xiang Zhao
Keyword(s):  
Fatigue Cracks ◽  
Crack Tip ◽  
Strain Range ◽  
Crack Tip Opening Displacement ◽  
Opening Displacement ◽  
Variable Amplitude Loading ◽  
Plastic Strain Range ◽  
Variable Amplitude ◽  
Short Cracks ◽  
Crack Tip Opening

The behavior of short fatigue cracks under variable amplitude loading (VA) was investigated by FEM. The crack closure induced by the crack surface roughness was taken into consideration by using the contact between these crack surfaces. The effects of variable amplitude loading on the performance of short cracks are demonstrated with factors such as grain orientation and misorientation, crack length and the friction efficient between the contacted crack surfaces. Through the two indicators, crack tip opening displacement represented by "CTOD and "CTSD and the plastic strain range of crack tip, the characteristics of short cracks affected by loading blocks are discussed in detail. It is shown from the numerical results that the significance of the design of loading blocks in the fatigue experiments is evident and the performance of short cracks from the variable amplitude loading is more effective due to the closer to practice.

Investigation of metal cored arc welded FCA (fatigue crack arrester) steel in terms of microstructure, toughness and tensile properties

2018 ◽  
Author(s):  
Εμμανουήλ-Μάριος Καζασίδης
Keyword(s):  
Fatigue Crack ◽  
Tensile Properties ◽  
Arc Welding ◽  
Crack Tip ◽  
Crack Tip Opening Displacement ◽  
Opening Displacement ◽  
Crack Arrester ◽  
Crack Tip Opening ◽  
Welding Technique

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη συγκολλήσεων ελασμάτων χάλυβα τύπου ΑΗ-40 FCA (Fatigue Crack Arrester), πάχους 13 mm, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο τόξου κοίλου ηλεκτροδίου με πυρήνα μεταλλικής σκόνης (Μetal Cored Arc Welding technique-MCAW). Η συγκεκριμένη μέθοδος συγκόλλησης επιλέχθηκε επειδή συνίσταται σε αυτοματοποιημένες διαδικασίες συγκόλλησης και ιδιαίτερα με πολλαπλά περάσματα καθώς δεν απαιτεί ενδιάμεσο καθαρισμό σκωρίας (σε αντίθεση με την FCAW). Κατά συνέπεια, οι συγκολλήσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση ρομποτικού μηχανισμού προκειμένου να εξασφαλιστεί η επαναληψιμότητα και η ακρίβεια των πειραματικών δοκιμών.Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη μελέτη των συγκολλήσεων του χάλυβα AH-40 FCA περιλαμβάνει την εκτέλεση προπαρασκευαστικών-διερευνητικών πειραμάτων, τη διαδικασία βελτιστοποίησης ως προς τη μικροδομή και των ιδιοτήτων ένταντι εφελκυστικής φόρτισης, τη μελέτη της δυσθραυστότητας καθώς και την κατασκευή αναλυτικού μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα: Aρχικά καθορίστηκε το εύρος των συνθηκών συγκόλλησης. Η σχετική μελέτη πραγματοποιήθηκε μέσω της διεξαγωγής μεμονωμένων στρώσεων μετάλλου στην επιφάνεια των χαλύβδινων ελασμάτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα σε συνδυασμό με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, καθόρισαν το εύρος των εντέλει χρησιμοποιηθησών ρυθμών εισαγωγής θερμότητας (0.5-2.5 kJ/mm με βήμα 0.5 kJ/mm). Στη συνέχεια, η βελτιστοποίηση της συγκόλλησης πραγματοποιήθηκε βάσει των αποτελεσμάτων του μικροδομικού χαρακτηρισμού και των δοκιμών εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης. Σε αυτό το στάδιο τα παρακάτω κριτήρια καθορίστηκαν ως κρίσιμα για την επίτευξη της βέλτιστης συγκολλητής δομής:- Έκταση θερμικά επηρεασμένης ζώνης (η ελαχιστοποίηση του πλάτους της είναι επιθυμητή). Χρήση στερεοσκοπίου.- Ομοιογένεια των μικροδομικών συστατικών μεταξύ της θερμικά επηρεασμένης ζώνης, της ζώνης τήξης και του μετάλλου βάσης (η μέγιστη ομοιογένεια είναι επιθυμητή). Χρήση οπτικής μικροσκοπίας, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης.- Κατανομή μικροσκληρομετρήσεων (ομαλή κατανομή είναι επιθυμητή, πλησιέστερη στη τιμή αναφοράς, δηλαδή στη μικροσκληρότητα του μετάλλου βάσης). Χρήση της μεθόδου Vickers.- Όριο διαρροής της συγκόλλησης (επιθυμητή η μεγιστοποίηση του ορίου διαρροής). Δοκιμή εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης- Αντοχή σε εφελκυσμό (επιθυμητή η μεγιστοποίηση της αντοχής). Δοκιμή εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης.-Επιμήκυνση θραύσης ως δείκτης της ολκιμότητας (επιθυμητή η μεγιστοποίησης της επιμήκυνσης). Δοκιμή εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης. Έπειτα, η μελέτη επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της βέλτιστης συγκόλλησης και πιο συγκεκριμένα στην περιοχή που παρουσιάζει τη μέγιστη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων. Σε αυτήν πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με χρήση προρωγματωμένων δοκιμίων για τη μέτρηση της δυσθραυστότητας με τις μεθόδους Charpy V-notch και CTOD (Crack tip opening displacement).Παράλληλα με την πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός αιτιοκρατικού αναλυτικού μοντέλου το οποίο χρησιμοποιεί ρητές-μαθηματικές εξισώσεις με διττό στόχο: την πρόβλεψη του εμβαδού της περιοχής ενίσχυσης ενός κορδονιού ευθείας ραφής, καθώς και του απαιτούμενου αριθμού κορδονιών σε μία συγκόλληση με πολλαπλά περάσματα. Η αξιοπιστία των προβλεπόμενων αποτελεσμάτων και η επαναληψιμότητα του μοντέλου επιβεβαιώθηκαν πειραματικά.

Plastic relaxation at a crack tip by asymmetric slip

1988 ◽  
Vol 418 (1854) ◽  
pp. 261-280 ◽  
Keyword(s):  
Slip Band ◽  
Crack Opening ◽  
Crack Tip ◽  
Friction Stress ◽  
Small Scale ◽  
Crack Tip Opening Displacement ◽  
Opening Displacement ◽  
Sharp Crack ◽  
Scale Yielding ◽  
Crack Tip Opening

Relaxation at a sharp crack tip by a single slip band is considered. It is shown that for mixed-mode loading of a plane crack in an isotropic medium there is a unique angle between the slip band and the crack for which the energy release rate (or stress intensity factor) of the crack can be reduced to zero. For such a slip-band calculations are made of the slipband length and the crack-opening displacement as a function of the loading, crack length and friction stress acting on dislocations in the slip band. For small-scale yielding, a simple model is discussed that gives a good approximation to the crack-tip opening displacement and slip-band angle.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document